干货 | 摩尔定律 vs 功能密度定律

众所周知，随着IC工艺的特征尺寸向5nm、3nm迈进，摩尔定律已经要走到尽头了，那么，有什么定律能接替摩尔定律呢？这就是我们今天要提出的：“功能密度定律-Function Density Law”，简称“FD Law”。首先，让我们回顾一下摩尔定律。1. 摩 尔 定 律
摩尔定律（Moore's Law）是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）于1965年提出来的，至今已有55年。摩尔定律内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。总得来说，摩尔定律有以下三种说法：
1、集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18-24个月就翻一番。2、微处理器的性能每隔18-24个月提高一倍，而价格下降一倍。3、用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18-24个月翻两番。以上几种说法中，以第一种说法最为普遍，第二、三两种说法涉及到价格因素，其实质是一样的。三种说法虽然各有千秋，但在一点上是共同的，即"翻番"的周期都是18-24个月，至于"翻一番"（或两番）的是"集成电路芯片上所集成的电路的数目"，是整个"计算机的性能"，还是"一个美元所能买到的性能"就见仁见智了。这一定律揭示了信息技术进步的速度，尽管这种趋势已经持续了超过半个世纪，摩尔定律仍应该被认为是观测或推测，而不是一个物理或自然法。摩尔定律到底准不准？让我们先来看下面一张图，从图中可以看出，采样点基本位于曲线的附近，可以看出摩尔定律基本上还是准确的。

摩尔定律并非数学或者物理定律，而是对发展趋势的一种预测，因此，无论是文字表述还是定量计算，都应当容许一定的宽裕度。从这个意义上看，摩尔的预言是相当准确了，所以才会被业界人士的公认，并产生巨大的反响。"摩尔定律"的终结摩尔定律问世至今已55年了，我们知道：芯片上元件的几何尺寸总不可能无限制地缩小下去，这就意味着，总有一天，芯片单位面积上可集成的元件数量会达到极限。从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。一旦芯片上特征尺寸达到1纳米时，相当于只有5个硅原子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，摩尔定律也就要走到它的尽头了。
2. 功能密度定律
既然摩尔定律已经要走到尽头了，就需要有一个新的定律来接替摩尔定律，有什么定律能接替摩尔定律呢？这就是我们今天要提出的：“功能密度定律”(Function Density Law)。功能密度定律：对于所有的电子系统来说，沿着时间轴，系统空间内的功能密度总是在持续不断地增大，并且会一直持续下去。Function Density Law：For all electronic systems, along the time axis, the function density in system space is constantly increasing and will continue.下图为功能密度定律的曲线描述：


从以上曲线可以看出，电子系统的功能密度会随着时间延续而持续地增长，其增长的快慢在不同的历史时期会有所不同，如果有新的技术的突破，其增长的就会比较快，如果没有新技术突破，其增长则会比较缓慢，但总的趋势是不断增长。要理解功能密度定律，首先我们要理解什么是功能密度？功能密度：单位体积内包含的功能单位的数量称为功能密度。Function density: The number of Function UNITs contained in a unit volume is called function density.功能密度中的关键词是功能单位，那什么又是功能单位（Function UNITs）呢？我们需要了解一下电子系统的6级功能分类。电子系统6级分类法：6-levels classification of electric system:

1. 功能细胞，Function cell（FC)，功能细胞是电子系统组成的最小功能单位，不可拆分，如果拆分，功能则会丧失，不可恢复，例如晶体管Transistor，电阻、电容、电感等都是功能细胞。
2. 功能块，Function block（FB)，功能块由功能细胞组成，具有一定的逻辑功能，例如，6个Transistor可以组成一个SRAM存储功能块，1个Transistor和1个电容可以以组成一个DRAM存储功能块，4个MOS管可以组成一个与非门或者或非门。功能块是具有特定功能的功能单位。
3. 功能单元，Function unit（FU)，功能单元由功能块组成，可以完成复杂功能的功能单位，例如算术逻辑单元（ALU)，输入输出控制单元（IO Control Unit），中央处理单元（CPU）等，计算机的处理器，DSP，FPGA，存储器等都可以归属于功能单元这一级别的功能单位。
4. 微系统，Micro System（MS)，到这一级别，我们开始定义系统的概念，微系统可以独立完成系统功能，并且体积较小，通常并不直接和最终用户打交道，例如SiP, SoC，SoP等，微系统通常可由功能单元、功能块或者功能细胞组成。
5. 常系统，Common System（CS)，也可称之为常规系统，顾名思义就是常人能接触到的系统，一般是指和最终用户直接打交道的系统，这里的最终用户指的是人。例如手机，电脑，家用电器等都可称为常系统，常系统通常由微系统、功能单元组成；
6. 大系统，Giant System（GS)，一般是指复杂而庞大的系统，例如无线通信网络系统，互联网系统，载入航天系统、空间站系统等，大系统通常由常系统、微系统等组成。
   

在以上的定义中，功能细胞(FC)，功能块(FB)，功能单元(FU)，都可以称之为功能单位（FUs)，它们分别属于不同级别的功能单位。我们再回顾一下功能密度的定义：单位体积内包含的功能单位的数量称为功能密度。这其中的功能单位（Function UNITs）可以是：功能块（Function Block），功能细胞（Function Cell）或者功能单元（Function Unit）。需要读者注意的是：在进行同一类型系统的功能密度比较时，需要采用相同级别的功能密度定义。例如，系统A、B、C的功能密度进行比较，A采用功能块（Function Block）作为功能单位来定义功能密度，则B和C同样需要采用功能块（Function Block）作为功能单位来定义功能密度。
3. 功能密度定律的意义如果将功能密度定义中的功能单位具体为功能细胞（Transistor），并将其空间二维化，将其时间具体化，那么，功能密度定律就会缩化为摩尔定律。如果将集成电路上的晶体管集成从二维平面扩展为三维空间，将晶体管扩展为功能单位，并将时间由具体变为趋势化，那么，摩尔定律就会扩展为功能密度定律。我们也可以这么理解，对于电子系统的集成来说，摩尔定律是功能密度定律的在集成电路上特例，而功能密度定律则是摩尔定律在整个电子系统的扩展。

也许会有人问，为什么功能密度定义时用的不是确定的功能单位，而是三个层次的功能单位（功能块FB，功能细胞FC，功能单元FU）呢？这是由于功能本身的复杂性和不确定性。例如，新技术的发展，功能块的结构发生了进化，仅需要更小的功能块（Function Block) 就可以实现同样的功能，这样，即使最底层的功能细胞（Function Cell）Transistor的数量没有变化，其功能密度也同样是增加的。比如我们通常用的SRAM需要6个晶体管（Transistor）可以实现一个存储单元，称为6T，一种新技术的出现据说可以用1个晶体管实现一个存储单元，称为1T，这样，即使单位体积内的晶体管数量不变，其功能密度却增加了6倍。以此类推......
4. 小结 和 展望功能密度定律预测了电子系统集成的趋势，并将成为判断电子系统先进性的重要指标！摩尔定律是关于人类创造力的定律，实际上是关于人类信念的定律，当人们相信某件事情一定能做到时，就会努力去实现它。摩尔当初提出他的观察报告时，实际上是给了人们一种信念，使大家相信他预言的趋势一定会持续。功能密度定律同样是关于人类创造力的定律，也是关于人类信念的定律，当人们相信电子系统空间内的功能密度一定能会持续增加时，同样会努力去实现。功能密度定律（Function Density Law，简称FD Law）是作者Suny Li（Li Yang）于2020年1月20号在本文中首次正式提出。在此之前，作者经历了20年的电子系统设计，积累了丰富的项目经验，并且通过了长久的分析和思考而得出。功能密度定律（FD Law）会不会像摩尔定律（Moore's Law）一样，成为电子系统集成的最重要定律呢？现在，我们还不急着给出定论，等十年以后的2030年我们再看吧！不再纠结于二维平面尺度上晶体管的缩放，而把思维投入到更广阔的空间，从多维度的集成，从结构化的创新，从更灵活的尺度去评判，去发展！理解并运用功能密度定律，你就不会再纠结摩尔定律的终结，因为新的空间已经为我们打开，并且更为广阔！正如人们常说的：“山重水复疑无路，柳暗花明又一村！”功能密度定律是作者在本文首次提出，或许还有其不完善的地方，也欢迎大家留言讨论。来源：SiP与先进封装技术