摩爾定律

1959年，美國著名半導體廠商仙童公司首先推出了平面型晶體管，緊接着於1961年又推出了平面型集成電路。這種平面型製造工藝是在研磨得很平的硅片上，採用一種所謂“光刻”技術來形成半導體電路的元器件，如二極管、三極管、電阻和電容等。 ^[2] 

只要“光刻”的精度不斷提高，元器件的密度也會相應提高，從而具有極大的發展潛力。因此平面工藝被認為是“整個半導體的工業鍵”，也是摩爾定律問世的技術基礎。

1965年時任仙童半導體公司研究開發實驗室主任的摩爾應邀為《電子學》雜誌35週年專刊寫了一篇觀察評論報告，題目是：“讓集成電路填滿更多的元件”。在摩爾開始繪製數據時，發現了一個驚人的趨勢：每個新芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個芯片的產生都是在前一個芯片產生後的18-24個月內。如果這個趨勢繼續，計算能力相對於時間週期將呈指數式的上升。 Moore的觀察資料，就是現在所謂的Moore定律。其所闡述的趨勢一直延續至今，且仍不同尋常地準確。人們還發現這不僅適用於對存儲器芯片的描述，也精確地説明了處理機能力和磁盤驅動器存儲容量的發展。該定律成為許多工業對於性能預測的基礎。在26年的時間裏，芯片上的晶體管數量增加了3200多倍，從1971年推出的第一款4004的2300個增加到奔騰II處理器的750萬個。

歸納起來，“摩爾定律”主要有以下3種“版本”：

1、集成電路芯片上所集成的電路的數目，每隔18個月就翻一番；

2、微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一半；

3、用一美元所能買到的計算機性能，每隔18個月翻兩番。

以上幾種説法中，以第一種説法最為普遍，第二、三兩種説法涉及價格因素，其實質是一樣的。三種説法雖然各有千秋，但在一點上是共同的，即“翻番”的週期都是18個月，至於“翻一番”（或兩番）的是“集成電路芯片上所集成的電路的數目”或是整個“計算機的性能”，還是“一美元所能買到的性能”就見仁見智了。 ^[3] 

戈登·摩爾（Gordon Moore，1929-2023年3月24日）：英特爾公司（Intel）的創始人之一。 ^[13] 

1929年1月3日，戈登·摩爾出生在加州舊金山的佩斯卡迪諾。父親沒有上過多少學，17歲就開始養家，做一個小官員，母親只有中學畢業。高中畢業後他進入了著名的加州伯克利分校的化學專業，實現了自己的少年夢想。

1950年，摩爾獲得了學士學位，接着他繼續深造，於1954年獲得物理化學博士學位。 ^[4] 

1965年，提出“摩爾定律”。

摩爾定律雖然以戈登·摩爾的名字命名，但最早提出摩爾定律相關內容的並非摩爾，而是加州理工學院的卡沃·米德（Carver Mead）教授。

米德是最早關注到摩爾定律所提出的晶體管之類的產量增加，就會引起其價格下降現象的。米德指出，如果給定價格的電腦處理能力每兩年提高一倍，那麼這一價位的電腦處理裝置同期就會降價一半。 ^[5] 

1975年，在一種新出現的電荷前荷器件存儲器芯片中，的確含有將近65000個元件，與1965年摩爾的預言一致。另據Intel公司公佈的統計結果，單個芯片上的晶體管數目，從1971年4004處理器上的2300個，增長到1997年PentiumII處理器上的7.5百萬個，26年內增加了3200倍。如果按“每兩年翻一番”的預測，26年中應包括13個翻番週期，每經過一個週期，芯片上集成的元件數應提高2n倍（0≤n≤12），因此到第13個週期即26年後元件數這與實際的增長倍數3200倍可以算是相當接近了。

也有人從個人計算機（即PC）的三大要素微處理器芯片、半導體存儲器和系統軟件來考察摩爾定律的正確性。

微處理器方面，從1979年的8086和8088，到1982年的80286，1985年的80386，1989年的80486，1993年的Pentium，1996年的PentiumPro，1997年的PentiumII，功能越來越強，價格越來越低，每一次更新換代都是摩爾定律的直接結果。與此同時PC機的內存儲器容量由最早的480k擴大到8M，16M，與摩爾定律更為吻合。

系統軟件方面，早期的計算機由於存儲容量的限制，系統軟件的規模和功能受到很大限制，隨着內存容量按照摩爾定律的速度呈指數增長，系統軟件不再侷限於狹小的空間，其所包含的程序代碼的行數也劇增：Basic的源代碼在1975年只有4000行，20年後發展到大約50萬行。微軟的文字處理軟件Word，1982年的第一版含有27000行代碼，20年後增加到大約200萬行。有人將其發展速度繪製一條曲線後發現，軟件的規模和複雜性的增長速度甚至超過了摩爾定律。系統軟件的發展反過來又提高了對處理器和存儲芯片的需求，從而刺激了集成電路的更快發展。

摩爾定律並非數學、物理定律，而是對發展趨勢的一種分析預測，因此，無論是它的文字表述還是定量計算，都應當容許一定的寬裕度。從這個意義上看，摩爾的預言是準確而難能可貴的，所以才會得到業界人士的公認，併產生巨大的反響。

1975年，摩爾在國際電信聯盟IEEE的學術年會上提交了一篇論文，根據當時的實際情況，對“密度每年一番”的增長率進行了重新審定和修正。按照摩爾本人1997年9月接受《科學的美國人》一名編輯採訪時的説法，他當年是把“每年翻一番”改為“每兩年翻一番”。實際上，後來更準確的時間是兩者的平均：18個月。 ^[6] 

摩爾第二定律：摩爾定律提出30年來，集成電路芯片的性能的確得到了大幅度的提高；但另一方面，Intel高層人士開始注意到芯片生產廠的成本也在相應提高。1995年，Intel董事會主席羅伯特·諾伊斯預見到摩爾定律將受到經濟因素的制約。同年，摩爾在《經濟學家》雜誌上撰文寫道：“令我感到最為擔心的是成本的增加，...，這是另一條指數曲線”。他的這一説法被人稱為摩爾第二定律。

新摩爾定律：中國IT專業媒體上出現了“新摩爾定律”的提法，指的是中國Internet聯網主機數和上網用户人數的遞增速度，大約每半年就翻一番。而且專家們預言，這一趨勢在未來若干年內仍將保持下去。 ^[7] 

“摩爾定律”歸納了信息技術進步的速度。在摩爾定律應用的50多年裏，計算機從神秘不可近的龐然大物變成多數人都不可或缺的工具，信息技術由實驗室進入無數個普通家庭，因特網將全世界聯繫起來，多媒體視聽設備豐富着每個人的生活。

由於高純硅的獨特性，集成度越高，晶體管的價格越便宜，這樣也就引出了摩爾定律的經濟學效益。在20世紀60年代初，一個晶體管要10美元左右，但隨着晶體管越來越小，直到小到一根頭髮絲上可以放1000個晶體管時，每個晶體管的價格只有千分之一美分。據有關統計，按運算10萬次乘法的價格算，IBM704電腦為1美元，IBM709降到20美分，而60年代中期IBM耗資50億研製的IBM360系統電腦已變為3.5美分。

“摩爾定律”對整個世界意義深遠。在回顧40多年來半導體芯片業的進展並展望其未來時，信息技術專家們認為，在以後“摩爾定律”可能還會適用。但隨着晶體管電路逐漸接近性能極限，這一定律終將走到盡頭。40多年中，半導體芯片的集成化趨勢一如摩爾的預測，推動了整個信息技術產業的發展，進而給千家萬户的生活帶來變化。

摩爾定律問世已40多年，人們不無驚奇地看到半導體芯片製造工藝水平以一種令人目眩的速度提高。Intel的微處理器芯片Pentium4的主頻已高達2GHz，2011年推出了含有10億個晶體管、每秒可執行1千億條指令的芯片。這種發展速度是否會無止境地持續下去是成為人們所思考的問題。

從技術的角度看，隨着硅片上線路密度的增加，其複雜性和差錯率也將呈指數增長，同時也使全面而徹底的芯片測試幾乎成為不可能。一旦芯片上線條的寬度達到納米（10^-9米）數量級時，相當於只有幾個分子的大小，這種情況下材料的物理、化學性能將發生質的變化，致使採用現行工藝的半導體器件不能正常工作，摩爾定律也就要走到盡頭。

從經濟的角度看，正如摩爾第二定律所述，20-30億美元建一座芯片廠，線條尺寸縮小到0.1微米時將猛增至100億美元，比一座核電站投資還大。由於花不起這筆錢，越來越多的公司退出了芯片行業。 ^[8] 

物理學家加來道雄（Michio Kaku）是紐約城市大學一名理論物理學教授，2012年接受採訪時稱摩爾定律在叱吒芯片產業47年風雲之久後，正日漸走向崩潰。這將對計算機處理進程產生重大影響。在未來十年左右的時間內，摩爾定律就會崩潰，單靠標準的硅材料技術，計算能力無法維持快速的指數倍增長。

加來道雄表示導致摩爾定律失效的兩大主因是高温和漏電。這也正是硅材料壽命終結的原因。加來道雄表示這與科學家們最初預測摩爾定律沒落大相徑庭。科學家應該能繼續挖掘硅部件的潛力，從而在未來幾年時間裏維持摩爾定律的生命力；但在3D芯片等技術也都耗盡潛力以後，那麼也就將達到極限。

各領域科學家以及產業分析師們都預測到了摩爾定律的失效。然而研究者們同時又提出，不斷進步的芯片結構和部件使得摩爾定律依然有效。就連被稱作“建立在摩爾定律之上”的Intel公司宣佈隨着採用納米導線等技術的新型晶體管逐漸取代傳統的半導體晶體管，已經進入“大叔”級別的“摩爾定律”，將不能繼續引領電子設備發展的節奏。

基於摩爾定律的這種情況，業界提出了“More-Than-Moore”（簡稱MTM，即“超越摩爾定律”），試圖從更多的途徑來維護摩爾定律的發展趨勢，並且從摩爾定律的“更多更快”，發展到MTM的“更好更全面”。摩爾定律在Logic類和Memory類的集成電路的發展中提出和得到驗證，而MTM則適用於更多類型的集成電路，如Analog、RF、Image Sensor、Embedded DRAM、Embedded FLASH、MEMS、High Voltage等，通過改變基礎的晶體管結構（SOI、FIN-FET），各類型電路兼容工藝，先進封裝（晶圓級封裝、SiP、3D多芯片封裝）等技術，使一個系統級芯片能支持越來越多的功能，同樣可以降低芯片的成本、提高電路的等效集成度。 ^[9] 

2012年10月28日，美國IBM研究所科學家宣稱，最新研製的碳納米管芯片符合了“摩爾定律”週期。傳統的晶體管是由硅製成，然而2011年來硅晶體管已接近了原子等級，達到了物理極限，由於這種物質的自然屬性，硅晶體管的運行速度和性能難有突破性發展。

IBM公司的研究人員在一個硅芯片上放置了1萬多個碳納米晶體管，碳納米晶體管的電子比硅質設備運行得更快。它們也是晶體管最理想的結構形式。這些優異的性能將成為替代硅晶體管的原因，同時結合新芯片設計架構，未來將使微型等級芯片實現計算機創新。

研究人員發現，電子被捕獲進一個接口處具有一層氧化物或者金屬的半導體後就很容易被抽進空氣中，藏匿於該接口處的電子會形成一層電荷，而且該電子層內部的帶電粒子之間的庫倫排斥力也會使電子很容易從硅中釋放出來。他們通過施加很少量的電壓，有效地從硅結構中提取出了電子，隨後再將電子置於空氣中，使它們能在納米尺度的通道內行進，而不會遇到任何的碰撞或者發生散射。 ^[10] 

摩爾定律有時也適用於綠色技術的產品。例如，考慮一下DNA測序儀—綠色技術的核心工具之一。1977年，弗雷德·桑格（Fred Sanger）率先對一個包含五千個鹼基對的完整病毒基因組進行了測序；而二十五年後，人們對包含有三十億個鹼基對的人類基因組進行了測序。鹼基對的輸出遵循了摩爾定律，但測序的成本卻不然。人類基因組的測序成本遠超過了病毒基因組。現有的測序儀可謂巧奪天工之作，但是笨重而昂貴。它們用濕化學法，批量處理DNA分子。化學試劑的成本與機器一樣昂貴。生物學現在需要的是單分子測序，即每次處理一個分子，而且要用物理的而非化學的方法進行測序。發明這種機器是物理學家的事，他們使用灰色技術來支持綠色技術。發明這種機器並且讓它可靠地工作的人，將對生物學作出重大貢獻。

單分子測序儀可以比現有的測序儀快得多也便宜得多。它也許和現有的手提電腦一樣小巧靈便，可以像將單鏈轉化成雙鏈的DNA聚合酶一樣快速處理DNA分子，以每秒一千對的速率，將鹼基讀入計算機內存。以這樣的速度，單台機器可以在一個月內，完整地讀出一個人類基因組。憑藉大量的艱苦努力和一點運氣，我們將不斷改進單分子測序儀，讓摩爾定律的適用範圍能拓展到未來—每十年增加測序速度一百倍，降低設備成本一百倍對於綠色技術這將意味着什麼？到現在為止，我們已經對一百餘個物種（其中大多數是微生物）進行了基因組測序，共測定了約一百億個鹼基對。我們這個星球的生物圈包含約一千萬個物種，它們的基因組共包含約十萬億個鹼基對。用計算機科學的語言表示的話，地球上所有的物種的基因組加起來共有幾百萬個吉字節的數據。這個數據庫在大小上與其他一些現存的數據庫基本相當。我們已經知道如何存儲和搜索這種規模的數據庫。但在對這些基因組進行測序之前，必須探索生物圈並確定其中的物種。如果摩爾定律在應用於DNA測序時仍然有效，我們可以在大約三十年內完成對整個生物圈進行DNA測序的工作，其成本不會比人類基因組的測序高太多。生物圈基因組項目會讓我們開始深入理解生物圈，就像人類基因組項目使我們開始深入理解人類生物學一樣。無論是對理解生物圈還是對保護生物圈而言，千萬個物種的測序都將是一個良好的開端。如果我們明白了生物圈裏有什麼，我們將有更大的機會保護好它。 ^[11]