摩尔定律的多重人生（上）？

如果把摩尔定律比作一个男人，到今年他将是一个50岁的中年人。在过去的50年里，电子工业遵循摩尔定律取得了巨大的进步。然而在今天，人们也想知道摩尔定律是否已经过时，是否能够适应时代，继续对电子行业未来的发展起到指导作用。在本文的第一部分，我们将追溯到20世纪60年代，看看摩尔是在什么背景和实践中提出摩尔定律的，并找到摩尔定律不被重视的另一面。

半个世纪前,一个名叫戈登摩尔的年轻工程师，仔细观察了他的新行业，并对未来十年这个行业将发生的重大事件做出了自己的预测。这篇4页的预测文章发表在电子杂志上。这位年轻的工程师预测，未来将会有带有自动驾驶系统的家用电脑、手机和汽车。他在文章中预测，集成芯片上可容纳的电子元器件数量每年将稳步翻倍，这将使集成芯片越来越经济，而这正是驱动他异想天开的技术变为现实的动力。

这篇文章发表十年后，这个描述集成芯片上电子元件指数级增长的摩尔定律并没有停止。如今，摩尔定律贯穿了近50年来科学技术的飞速发展。遵循摩尔定律的现代科学技术给人们的生活带来了计算机、个人电子设备和传感器。摩尔定律对现代生活的影响是无法估量的。没有集成芯片的不断发展，我们就不能坐飞机、打电话，甚至用洗碗机，更不用说发现希格斯玻色子、创造互联网了。

但摩尔定律到底是如何影响我们的生活，为什么会取得这样的成就？摩尔是解释技术进步是毋庸置疑、不可阻挡的，还是仅仅反映了一个特殊时期的技术发展状态？时至今日，我们还能用摩尔定律来解释近十年来计算机的技术进步和创新进步吗？

在我看来，摩尔定律的地位是毋庸置疑的。摩尔定律是时代的证明，它代表了人类从自由市场中获得的辛勤劳动、智慧和灵感。摩尔的预测起初只是对一个新行业的简单观察和总结，但随着时间的推移，它已经成为一种自我实现的期望。摩尔定律的实现是千千宛宛创新公司和工程师不断创造的结果。他们可以从摩尔定律中看到行业的发展潜力，并尽最大努力保持技术领先地位，否则将有落后于竞争对手的风险。

然而，我也想说，虽然摩尔定律被无休止地应用来解释各种技术进步，但它不仅仅是一个简单的概念。摩尔定律的含义在这几十年的发展中经历了反复的变化，直到今天仍然在变化。要想从摩尔定律中理解技术进步的本质，并从中预测未来的发展，需要有深刻的理解和观察。

在上个世纪 60 年代,当硅谷还没有闻名全球时，年轻的戈登摩尔在飞兆半导体公司担任研发总监。离开肖克利半导体实验室后，他于1957年和其他人一起创立了这家公司。在优艾设计网_在线设计这家公司，他们一起完成了硅晶体管的早期研发。

飞兆公司是当时为数不多的开发硅晶体管的公司之一。晶体管是一种可变电流开关，它可以根据输入电压控制输出电流，并可用于计算和存储数据。飞兆很快发现了一个利基市场。

当时，大多数电路是由单个晶体管、电阻、电容和二极管连接组成的，它们是手工组装在电路板上的。1959年，飞兆公司的赫尼发明了平面晶体管，取代了以前的台面晶体管。

有了这种平面晶体管，工程师可以互连几条晶体管线，并将其安装在一个小的或几个半导体芯片或电介质衬底上，从而制造出所谓的“集成电路”。德州仪器的杰克基尔比是集成电路的先驱。他首先想到电阻器和电容器(无源元件)可以由与晶体管(有源器件)相同的材料制成。摩尔的同事罗伯特诺伊斯在实践中表明，平面晶体管可以用来制造集成电路，方法是用绝缘氧化物涂层覆盖晶体管，然后添加铝线来连接不同的晶体管。飞兆公司将这种新的制造工艺投入到第一个硅集成电路的生产中，该集成电路于1961年问世，刚开始只有四个晶体管。到1965年，该公司已经能够生产包含64个电子元件的集成电路。

有了这些早期知识的积累，摩尔在1965年发表的一篇论文中做出了一个大胆的结论：集成电路代表了电子工业未来的发展方向。这种说法在今天当然不言而喻，但在当时却引起了争议。许多人质疑摩尔的观点，即集成电路只是电子工业的一个小分支。

这些问题可以原谅，因为当时集成电路的工艺比其他手工电路板产品复杂和昂贵得多。从今天的计算来看，当时集成电路的成本高达30美元，而单个元件的成本不到10美元。当时生产集成电路的公司屈指可数，真正的客户是NASA和美军。

但让问题变得复杂的是，当时晶体管并不可靠。根据摩尔回忆，当时单个晶体管只能发挥10%-20%左右的效率。当你在同一块电路板上集成多个晶体管时，虽然你期望它充分发挥其功能，但结果并不令人满意。出现这种情况的原因是操作逻辑有缺陷。八个晶体管虽然集成在同一块电路板上，但实际上并不能发挥整体效果，其工作效果相当于八个独立的晶体管。这是因为每个晶体管的失效概率是独立的，这种失效是随机发生的。例如，溅油漆会使晶体管失效。如果两个相邻晶体管中的一个发生故障，两个晶体管将同时启动。所以当你放两个晶体。

虽然面临种种困难，摩尔仍然坚信集成电路总有一天会被证明是一种经济实惠的选择。在他 1965 年发表的论文中，摩尔为了证明集成电路将拥有光明的未来，将仙童公司的第一代平面晶体管以及后续生产的一系列集成电路作为参照，构建了一个对数模型。在该模型中，他发现随着时间发展，每年集成电路上的元件数量就会增加一倍。

通过在模型中加上一条小小的趋势线，摩尔做出了一个大胆的推断：这种增长趋势将持续 10 年。到了 1975 年，他又预测人们将亲眼目睹集成电路上的元件数量从 64 增长到 65000。这个预测已经相当接近现实。在 1975 年时，英特尔公司准备生产的电荷耦合（CCD）内存芯片上就已经包含了 32000 个元件，只要经过一年的发展，其结果就会与摩尔的预测相当接近。而这家英特尔公司正是在 1968 年摩尔与诺伊斯、葛罗夫脱离了仙童公司后成立的。

摩尔定律被忽视的内容

当我们回顾摩尔这篇重要的论文时，会从中发现一些被人忽视的细节。首先，摩尔的预测针对的是集成电路上的电子元件数量，而不不仅仅是晶体管，电子元件中还包括了电阻、电容和二极管。在发展初期，集成电路中的电阻比晶体管还多。而后来当金属氧化物半导体场效应晶体管出现之后，集成电路上晶体管之外的电子元件所需越来越少，这也就意味着数字时代开始了。晶体管在集成电路中起到了主导作用，而对于集成电路复杂性的衡量则主要依据它所包含的晶体管数量。

这篇文章还揭示了摩尔对于集成电路所带来的经济效益的关注。在摩尔定律中所说的电子元件的数量，并不是指芯片上所包含的最大元件数量或者平均数量，而是指每个元件的成本都能达到最小时集成芯片上可以包含的元件数量。摩尔内心明白，在一个集成电路上所能够放置的元件数量并不是越多越好，多并不一定代表着就是经济实惠的选择。在每一代芯片制造技术发展过程中，集成电路中的元件数量都有着符合当时实际情况的最佳平衡点。随着你往集成电路上添加越来越多的元件，分摊到每一个元件上面的成本是降低了，但是一旦这个数量超过了特定值，试图往集成电路中添加更多的晶体管就会使得缺陷出现的可能性增加，并降低了可用芯片的收益。只要超过了这个特定值上，每个元件的成本就会开始增加。发展到今天，集成电路设计与制造的目标仍然是将其电子元件控制在最佳平衡点上。

事实上，我并不认为摩尔定律在今天已经不能预测现实了，我认为摩尔定律再次处于一个变革的边缘。

芯片制造技术已经取得了长足的进步，最佳平衡点也随之不断提升，集成电路上的元件数量越来越多的同时其制造成本也在降低。在过去的 50 年中，晶体管的制造成本已经从 30 美元下降到了今天几乎不要钱的地步。我想即使是摩尔本人，可能也没有预见到晶体管的成本会有到如此巨大的变化。但是在 1965 年时，他就已经认识到集成电路不会一直这么价格高昂，会有高性能且廉价的组件对于现有的元件进行替代，集成电路的发展趋势是成为性能好、价格低的产品。