究竟什么是摩尔定律？

作者:[英]约翰•D. 巴罗

来源：摘自《科学的画廊：图片里的科学史》一书，经人民邮电出版社授权发布

我有两次被（政府官员）问：“请问巴贝奇先生，如果你把错误数据送进机器，有可能会出来正确结果吗？”我真不明白，人们是把概念混淆到何种地步，才会问出这样的问题。

——查尔斯·巴贝奇

戈登·摩尔绘于1965年的原画，描绘了计算机芯片的生产成本和集成电路上每平方英寸晶体管数量的比值，图中的曲线趋势后被业界称为“摩尔定律”

“计算机毫无用处，因为它们只能给你答案。”毕加索如是说。但是，答案有时候也能让人欣然分享，特别是当你可以快速、准确、便宜地获得答案的时候。计算机或许无法推动抽象艺术的发展，但它们却能在人类历史中不到30年的时间里催生一场惊天动地的革命。

我们中的很多人或许还记得个人计算机、文字处理软件、移动电话诞生之前的世界，但是，越来越多的劳动者们要么不记得那个时代，要么难以想象当时的样子。这种决定性的科技发展打造了更进步的社会生活，不仅成了生活节奏的加速器，而且成了许多国家获取全球智库的纽带。

对于一位普通的科技使用者来说，这一过程有点儿像乘坐一辆“暴走”列车。新产品层出不穷，存储和运算速度不断提高，交互性越来越强，无线通信能力日新月异。

新兴公司如雨后春笋，变成了像谷歌一样可以左右世界经济的力量，而这种力量甚至超越了国家的力量。在这场迈向未来的竞赛背后，有什么简单模式吗？

早在个人计算机诞生之前的1965年，芯片生产商英特尔公司的联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）决定寻找当下前沿计算机芯片产业的发展模式规律。他知道自己的公司发展得十分迅速，但他想弄清楚，这样的发展是在加速还是在减缓。

作为一名精明的商人，摩尔想知道这样的发展速度能否被预见。他计算出，在一段可预见的时间内，可缩小在1平方英寸（约6.5平方厘米）集成电路上的晶体管数量会翻倍，而晶体管的成本会成比例降低[1]。每两年，晶体管的密度就会翻倍，而芯片成本会减半。大小在缩小意味着能量功耗也在减少，集成电路的速度会变得更快[2]。

摩尔的这幅图一直被持续更新，同时，这也是微电子产业平均发展速度的基准。另一位微电子产业的先锋人物，加州理工学院计算机科学教授卡佛·米德（Carver Mead）率先将这种简单趋势命名为“摩尔定律”。

摩尔定律的现代解读展示，在每块长方形集成电路晶片（晶粒）上的晶体管数量随时间的增长率接近于常数。这种程度的可预测性已成为在计算机发展水平制约下的软件发展速度的重要决定因素。原始的摩尔定律认为，每块集成电路晶粒（绿线）上的晶体管数量每两年都要翻一番。如今看来，这对于计算机的其他领域也适用，比如内存（红线）和微处理器速度（黄线）

这场革命源自金属氧化物半导体（简称MOS管）。位于新泽西的贝尔实验室在1947年用锗制作了第一个双极面结型晶体管。

锗在20世纪50年代被硅取代，因为硅的氧化物二氧化硅（沙子和石英）是一种绝佳的电绝缘体，也易于定型和移动。德州仪器的工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）在1958年发明了集成电路。

次年，大量晶体管借此可以连接在硅薄片上。大批量生产的梦想很快成真。到了1970年，很多公司都开始生产集成电路。在1971年，英特尔公司以晶体管为基础做出了第一块单片微处理器——英特尔4004，第一台微型计算机就此诞生。

到了这一阶段，一个晶体管有1万纳米大，芯片上大约有2300个晶体管。

到了21世纪，英特尔出品的安腾2处理器上有4.1亿个晶体管，却只有45纳米大，所有晶体管都集中在一个3平方厘米大小的区域内。

要衡量行业发展进度，单以处理器的数量为依据，似乎无法描绘整个故事的全貌。因为事实上，处理器也开始从事更复杂的工作。另一个衡量发展进度的方法就是为在硬盘上储存信息的成本下降量绘图，但是，摩尔的测量方法是业界公认最具参考性的。

这个定律为什么会具有如此不可撼动的地位呢？

摩尔定律不仅能总结进度——当然，它不像引力定律那样能描绘出变化是如何发生的，那是自然定律做的事。但是，摩尔定律在激励发展方面起到了很大作用，是计算机行业在给定时间内应实现的发展的标杆[3]。

超常发展被视为超出摩尔定律“两年翻一番”曲线所预测的正常推测结果。更重要的是，摩尔定律让计算机行业中从事生产新驱动和外围设备的企业始终保持在行业前列。

如果重要的硬件发展需要多年的研究、计划才能投入生产，那么等到新处理能力诞生后再做回应，就不是一个好主意。你必须能预见发展，让自己的产品在可用的第一时间就准备就绪。在指导生产商如何更好地计划产品发展方面，摩尔定律的意义重大。

结果，这条定律就变成了一条关于微芯片密度发展的自我实现预言。

摩尔的发展预言会一直有效吗？人们曾预测晶体管的大小会每6年减小一半，在2010年达到18纳米，在2016年下降到10纳米[4]。遗憾的是，这未必能实现。

这种预测仅适用于重复运用相同基本技巧，只不过是工艺越来越精细、工程自动化灵敏程度越来越高的情况而已。最终，生产商将进入一个瓶颈，新的物理学定律将直接影响工程方法。全新的结构将问世，而更小的旧产品将成为过去。

30纳米（人类头发宽度的三千分之一）的晶体管需要的氧化物厚度为大约0.7纳米，仅有两个原子厚。这就给生产商们提了难题，他们需要足够的电容来充分控制电流流动。

极小型设备一直备受较大电流泄漏的困扰。有些材料像硅一样具有出色的电气性质，比如铪，可能会在一段时间内维持摩尔曲线的走势。然而，一旦一个硅晶片上的部件密度像原子本身一样拥挤的话，那就要面临一个本质问题了——单个硅原子之间的距离是0.27纳米[5]。在这一领域中，我们进入了纳米工艺的新世界。

我们必须面对量子计算的各种异常可能性，解决电子的自旋而非电荷的超常问题——这就是碳富勒烯纳米管和光子器件的属性。在纯硅微型化的方向上发展，注定无法实现突破。计算能力将迈上崭新的道路，而全新发展方向是由科技进步模式决定的。

大家都将开始寻找与摩尔最初提出的关于硅微型电子发展类似的规律，也许会有一个“摩尔第二定律”吧？

注释：

1. 这项研究结果首次出现在摩尔写的一篇文章中，发表在1965年4月19日的《电子杂志》（Electronics Magazine）上。2005年，摩尔意识到自己那份杂志借给别人复印，但对方却始终没有归还，于是英特尔公司又花了1万美元买了一本崭新的原版杂志，并作为档案收藏了起来。这本杂志最终作为奖励送给了一位英国工程师戴维·克拉克（David Clark），因为他有完整的一套杂志。从此，各大学图书馆的图书馆员们必须费心保护好自己的杂志了。摩尔最初的表述是：“最小组件成本的复杂性以大约每年两倍的速度增长……当然，如果这一增长率在短期内不增加，就有望持续下去。从长期来看，增长率就更不确定，尽管我们无法证明它至少在10年内不会保持不变。这意味着到1975年，每个最小成本的集成电路的组件数量将达到65 000个。”

2. MOORE G. “Progress in Digital Integrated Electronics”. IEDM Tech. Digest. 1975: 11-13.

3. 在计算科学中，当一个大项目的计算效率得到发展，比如能够研究数百万恒星的聚集时，我们可以从中提炼出纯粹的摩尔定律的进展，以此来评估科研人员的进展，结果非常有趣。这其实远离了真正的人类智力进步，智力进步源于人类的智慧，而不是计算机领域所取得的成就——计算机只是研究人员的后盾。

4. WONG H, IWAI H. “The Road to Miniaturization”. Physics World. 2005(18-9): 40-44.

5. 纳米技术的研究范围在10-9米的纳米级别。

欣赏科学，数学，几何，天文的艺术珍宝，讲述人类如何通过视觉艺术展现自己的思维火花，再现自然的壮美，见证科学发展史中一座座里程，再现人类思想的高光时刻。