摩爾定律 VS 功能密度定律

眾所周知，隨著IC工藝的特征尺寸向5nm、3nm邁進(jìn)，摩爾定律已經(jīng)要走到盡頭了，那么，有什么定律能接替摩爾定律呢？

這就是我們今天要提出的：“功能密度定律-Function Density Law”，簡(jiǎn)稱(chēng)“FD Law”。

首先，讓我們回顧一下摩爾定律。

1. 摩爾定律

摩爾定律（Moore's Law）是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）于1965年提出來(lái)的，至今已有55年。

摩爾定律內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買(mǎi)到的電腦性能，將每隔18-24個(gè)月翻一倍以上。

總得來(lái)說(shuō)，摩爾定律有以下三種說(shuō)法：

1、集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18-24個(gè)月就翻一番。

2、微處理器的性能每隔18-24個(gè)月提高一倍，而價(jià)格下降一倍。

3、用一個(gè)美元所能買(mǎi)到的電腦性能，每隔18-24個(gè)月翻兩番。

以上幾種說(shuō)法中，以第一種說(shuō)法最為普遍，第二、三兩種說(shuō)法涉及到價(jià)格因素，其實(shí)質(zhì)是一樣的。三種說(shuō)法雖然各有千秋，但在一點(diǎn)上是共同的，即"翻番"的周期都是18-24個(gè)月，至于"翻一番"（或兩番）的是"集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目"，是整個(gè)"計(jì)算機(jī)的性能"，還是"一個(gè)美元所能買(mǎi)到的性能"就見(jiàn)仁見(jiàn)智了。

這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度，盡管這種趨勢(shì)已經(jīng)持續(xù)了超過(guò)半個(gè)世紀(jì)，摩爾定律仍應(yīng)該被認(rèn)為是觀測(cè)或推測(cè)，而不是一個(gè)物理或自然法。

摩爾定律到底準(zhǔn)不準(zhǔn)？讓我們先來(lái)看下面一張圖，從圖中可以看出，采樣點(diǎn)基本位于曲線的附近，可以看出摩爾定律基本上還是準(zhǔn)確的。

摩爾定律并非數(shù)學(xué)或者物理定律，而是對(duì)發(fā)展趨勢(shì)的一種預(yù)測(cè)，因此，無(wú)論是文字表述還是定量計(jì)算，都應(yīng)當(dāng)容許一定的寬裕度。從這個(gè)意義上看，摩爾的預(yù)言是相當(dāng)準(zhǔn)確了，所以才會(huì)被業(yè)界人士的公認(rèn)，并產(chǎn)生巨大的反響。

"摩爾定律"的終結(jié)

摩爾定律問(wèn)世至今已55年了，我們知道：芯片上元件的幾何尺寸總不可能無(wú)限制地縮小下去，這就意味著，總有一天，芯片單位面積上可集成的元件數(shù)量會(huì)達(dá)到極限。

從技術(shù)的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯(cuò)率也將呈指數(shù)增長(zhǎng)，同時(shí)也使全面而徹底的芯片測(cè)試幾乎成為不可能。

一旦芯片上特征尺寸達(dá)到1納米時(shí)，相當(dāng)于只有5個(gè)硅原子的大小，這種情況下材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，致使采用現(xiàn)行工藝的半導(dǎo)體器件不能正常工作，摩爾定律也就要走到它的盡頭了。

2. 功能密度定律

既然摩爾定律已經(jīng)要走到盡頭了，就需要有一個(gè)新的定律來(lái)接替摩爾定律，有什么定律能接替摩爾定律呢？

這就是我們今天要提出的：“功能密度定律”(Function Density Law)。

功能密度定律：對(duì)于所有的電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，沿著時(shí)間軸，系統(tǒng)空間內(nèi)的功能密度總是在持續(xù)不斷地增大，并且會(huì)一直持續(xù)下去。

Function Density Law：For all electronic systems, along the time axis, the function density in system space is constantly increasing and will continue.

下圖為功能密度定律的曲線描述：

從以上曲線可以看出，電子系統(tǒng)的功能密度會(huì)隨著時(shí)間延續(xù)而持續(xù)地增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)的快慢在不同的歷史時(shí)期會(huì)有所不同，如果有新的技術(shù)的突破，其增長(zhǎng)的就會(huì)比較快，如果沒(méi)有新技術(shù)突破，其增長(zhǎng)則會(huì)比較緩慢，但總的趨勢(shì)是不斷增長(zhǎng)。

要理解功能密度定律，首先我們要理解什么是功能密度？

功能密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)包含的功能單位的數(shù)量稱(chēng)為功能密度。

Function density: The number of Function UNITs contained in a unit volume is called function density.

功能密度中的關(guān)鍵詞是功能單位，那什么又是功能單位（Function UNITs）呢？我們需要了解一下電子系統(tǒng)的6級(jí)功能分類(lèi)。

電子系統(tǒng)6級(jí)分類(lèi)法：

6-levels classification of electric system:

功能細(xì)胞，F(xiàn)unction cell（FC)，功能細(xì)胞是電子系統(tǒng)組成的最小功能單位，不可拆分，如果拆分，功能則會(huì)喪失，不可恢復(fù)，例如晶體管Transistor，電阻、電容、電感等都是功能細(xì)胞。

功能塊，F(xiàn)unction block（FB)，功能塊由功能細(xì)胞組成，具有一定的邏輯功能，例如，6個(gè)Transistor可以組成一個(gè)SRAM存儲(chǔ)功能塊，1個(gè)Transistor和1個(gè)電容可以以組成一個(gè)DRAM存儲(chǔ)功能塊，4個(gè)MOS管可以組成一個(gè)與非門(mén)或者或非門(mén)。功能塊是具有特定功能的功能單位。

功能單元，F(xiàn)unction unit（FU)，功能單元由功能塊組成，可以完成復(fù)雜功能的功能單位，例如算術(shù)邏輯單元（ALU)，輸入輸出控制單元（IO Control Unit），中央處理單元（CPU）等，計(jì)算機(jī)的處理器，DSP，FPGA，存儲(chǔ)器等都可以歸屬于功能單元這一級(jí)別的功能單位。

微系統(tǒng)，Micro System（MS)，到這一級(jí)別，我們開(kāi)始定義系統(tǒng)的概念，微系統(tǒng)可以獨(dú)立完成系統(tǒng)功能，并且體積較小，通常并不直接和最終用戶打交道，例如SiP, SoC，SoP等，微系統(tǒng)通常可由功能單元、功能塊或者功能細(xì)胞組成。

常系統(tǒng)，Common System（CS)，也可稱(chēng)之為常規(guī)系統(tǒng)，顧名思義就是常人能接觸到的系統(tǒng)，一般是指和最終用戶直接打交道的系統(tǒng)，這里的最終用戶指的是人。例如手機(jī)，電腦，家用電器等都可稱(chēng)為常系統(tǒng)，常系統(tǒng)通常由微系統(tǒng)、功能單元組成；

大系統(tǒng)，Giant System（GS)，一般是指復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，例如無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，載入航天系統(tǒng)、空間站系統(tǒng)等，大系統(tǒng)通常由常系統(tǒng)、微系統(tǒng)等組成。

在以上的定義中，功能細(xì)胞(FC)，功能塊(FB)，功能單元(FU)，都可以稱(chēng)之為功能單位（FUs)，它們分別屬于不同級(jí)別的功能單位。

我們?cè)倩仡櫼幌鹿δ苊芏鹊亩x：

單位體積內(nèi)包含的功能單位的數(shù)量稱(chēng)為功能密度。這其中的功能單位（Function UNITs）可以是：功能塊（Function Block），功能細(xì)胞（Function Cell）或者功能單元（Function Unit）。

需要讀者注意的是：在進(jìn)行同一類(lèi)型系統(tǒng)的功能密度比較時(shí)，需要采用相同級(jí)別的功能密度定義。例如，系統(tǒng)A、B、C的功能密度進(jìn)行比較，A采用功能塊（Function Block）作為功能單位來(lái)定義功能密度，則B和C同樣需要采用功能塊（Function Block）作為功能單位來(lái)定義功能密度。

3. 功能密度定律的意義

如果將功能密度定義中的功能單位具體為功能細(xì)胞（Transistor），并將其空間二維化，將其時(shí)間具體化，那么，功能密度定律就會(huì)縮化為摩爾定律。

如果將集成電路上的晶體管集成從二維平面擴(kuò)展為三維空間，將晶體管擴(kuò)展為功能單位，并將時(shí)間由具體變?yōu)橼厔?shì)化，那么，摩爾定律就會(huì)擴(kuò)展為功能密度定律。

我們也可以這么理解，對(duì)于電子系統(tǒng)的集成來(lái)說(shuō)，摩爾定律是功能密度定律的在集成電路上特例，而功能密度定律則是摩爾定律在整個(gè)電子系統(tǒng)的擴(kuò)展。

也許會(huì)有人問(wèn)，為什么功能密度定義時(shí)用的不是確定的功能單位，而是三個(gè)層次的功能單位（功能塊FB，功能細(xì)胞FC，功能單元FU）呢？這是由于功能本身的復(fù)雜性和不確定性。

例如，新技術(shù)的發(fā)展，功能塊的結(jié)構(gòu)發(fā)生了進(jìn)化，僅需要更小的功能塊（Function Block) 就可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能，這樣，即使最底層的功能細(xì)胞（Function Cell）Transistor的數(shù)量沒(méi)有變化，其功能密度也同樣是增加的。

比如我們通常用的SRAM需要6個(gè)晶體管（Transistor）可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)存儲(chǔ)單元，稱(chēng)為6T，一種新技術(shù)的出現(xiàn)據(jù)說(shuō)可以用1個(gè)晶體管實(shí)現(xiàn)一個(gè)存儲(chǔ)單元，稱(chēng)為1T，這樣，即使單位體積內(nèi)的晶體管數(shù)量不變，其功能密度卻增加了6倍。

以此類(lèi)推......

4. 小結(jié)和展望

功能密度定律預(yù)測(cè)了電子系統(tǒng)集成的趨勢(shì)，并將成為判斷電子系統(tǒng)先進(jìn)性的重要指標(biāo)！

摩爾定律是關(guān)于人類(lèi)創(chuàng)造力的定律，實(shí)際上是關(guān)于人類(lèi)信念的定律，當(dāng)人們相信某件事情一定能做到時(shí)，就會(huì)努力去實(shí)現(xiàn)它。摩爾當(dāng)初提出他的觀察報(bào)告時(shí)，實(shí)際上是給了人們一種信念，使大家相信他預(yù)言的趨勢(shì)一定會(huì)持續(xù)。

功能密度定律同樣是關(guān)于人類(lèi)創(chuàng)造力的定律，也是關(guān)于人類(lèi)信念的定律，當(dāng)人們相信電子系統(tǒng)空間內(nèi)的功能密度一定能會(huì)持續(xù)增加時(shí)，同樣會(huì)努力去實(shí)現(xiàn)。

功能密度定律（Function Density Law，簡(jiǎn)稱(chēng)FD Law）是作者Suny Li（Li Yang）于2020年1月20號(hào)在本文中首次正式提出。

在此之前，作者經(jīng)歷了20年的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，積累了豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，并且通過(guò)了長(zhǎng)久的分析和思考而得出。

功能密度定律（FD Law）會(huì)不會(huì)像摩爾定律（Moore's Law）一樣，成為電子系統(tǒng)集成的最重要定律呢？

現(xiàn)在，我們還不急著給出定論，等十年以后的2030年我們?cè)倏窗桑?/p>

不再糾結(jié)于二維平面尺度上晶體管的縮放，而把思維投入到更廣闊的空間，從多維度的集成，從結(jié)構(gòu)化的創(chuàng)新，從更靈活的尺度去評(píng)判，去發(fā)展！

理解并運(yùn)用功能密度定律，你就不會(huì)再糾結(jié)摩爾定律的終結(jié)，因?yàn)樾碌目臻g已經(jīng)為我們打開(kāi)，并且更為廣闊！

正如人們常說(shuō)的：“山重水復(fù)疑無(wú)路，柳暗花明又一村！”




審核編輯：劉清