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”，簡稱“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年提出來的，至今已有55年。

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

總得來說，摩爾定律有以下三種說法：

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

2、微處理器的性能每隔18-24個月提高一倍，而價格下降一倍。

3、用一個美元所能買到的電腦性能，每隔18-24個月翻兩番。

以上幾種說法中，以第一種說法最為普遍，第二、三兩種說法涉及到價格因素，其實質(zhì)是一樣的。三種說法雖然各有千秋，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"計算機(jī)的性能"，還是"一個美元所能買到的性能"就見仁見智了。

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

摩爾定律到底準(zhǔn)不準(zhǔn)？讓我們先來看下面一張圖，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，而是對發(fā)展趨勢的一種預(yù)測，因此，無論是文字表述還是定量計算，都應(yīng)當(dāng)容許一定的寬裕度。從這個意義上看，摩爾的預(yù)言是相當(dāng)準(zhǔn)確了，所以才會被業(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)雜性和差錯率也將呈指數(shù)增長，同時也使全面而徹底的芯片測試幾乎成為不可能。

一旦芯片上特征尺寸達(dá)到1納米時，相當(dāng)于只有5個硅原子的大小，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，就需要有一個新的定律來接替摩爾定律，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：對于所有的電子系統(tǒng)來說，沿著時間軸，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)的功能密度會隨著時間延續(xù)而持續(xù)地增長，其增長的快慢在不同的歷史時期會有所不同，如果有新的技術(shù)的突破，其增長的就會比較快，如果沒有新技術(shù)突破，其增長則會比較緩慢，但總的趨勢是不斷增長。

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：單位體積內(nèi)包含的功能單位的數(shù)量稱為功能密度。

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級功能分類。

電子系統(tǒng)6級分類法：

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Transistor可以組成一個SRAM存儲功能塊，1個Transistor和1個電容可以以組成一個DRAM存儲功能塊，4個MOS管可以組成一個與非門或者或非門。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，計算機(jī)的處理器，DSP，FPGA，存儲器等都可以歸屬于功能單元這一級別的功能單位。

微系統(tǒng)，Micro System（MS)，到這一級別，我們開始定義系統(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)，都可以稱之為功能單位（FUs)，它們分別屬于不同級別的功能單位。

我們再回顧一下功能密度的定義：

單位體積內(nèi)包含的功能單位的數(shù)量稱為功能密度。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)行同一類型系統(tǒng)的功能密度比較時，需要采用相同級別的功能密度定義。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，將其時間具體化，那么，功能密度定律就會縮化為摩爾定律。

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，并將時間由具體變?yōu)橼厔莼敲矗柖删蜁U(kuò)展為功能密度定律。

我們也可以這么理解，對于電子系統(tǒng)的集成來說，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電子系統(tǒng)的擴(kuò)展。

也許會有人問，為什么功能密度定義時用的不是確定的功能單位，而是三個層次的功能單位（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個晶體管（Transistor）可以實現(xiàn)一個存儲單元，稱為6T，一種新技術(shù)的出現(xiàn)據(jù)說可以用1個晶體管實現(xiàn)一個存儲單元，稱為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。

以此類推......

4. 小結(jié)和展望

功能密度定律預(yù)測了電子系統(tǒng)集成的趨勢，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)于人類創(chuàng)造力的定律，實際上是關(guān)于人類信念的定律，當(dāng)人們相信某件事情一定能做到時，就會努力去實現(xiàn)它。摩爾當(dāng)初提出他的觀察報告時，實際上是給了人們一種信念，使大家相信他預(yù)言的趨勢一定會持續(xù)。

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

功能密度定律（Function Density Law，簡稱FD Law）是作者Suny Li（Li Yang）于2020年1月20號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，積累了豐富的項目經(jīng)驗，并且通過了長久的分析和思考而得出。

功能密度定律（FD Law）會不會像摩爾定律（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年我們再看吧！

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判，去發(fā)展！

理解并運(yùn)用功能密度定律，你就不會再糾結(jié)摩爾定律的終結(jié)，因為新的空間已經(jīng)為我們打開，并且更為廣闊！

正如人們常說的：“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村！”




審核編輯：劉清