紀念摩爾定律50周年

摘要：為紀念摩爾定律發表50周年，本文全面介紹了摩爾定律的最初提出，其一直作為信息技術工業的第一定律，它不僅有力地促進了電子信息工業的快速發展，甚至深刻地改變了社會歷程和人類生活。今天摩爾定律正在接近它的終極，文章較詳細地描述了“后摩爾定律時代”的多元化技術發展。本文網絡版地址：http：//www.eepw.e om.cn/article/277698.htm

關鍵詞：摩爾定律；Intel公司；工藝微細化；信息；3D化；三五族半導體；量子計算機；仿腦計算機

摩爾定律的提出

1965年4月19日，曾創造了“electronics”一詞的美國著名電子技術雜志《Electronics》（《電子學》，早巳停刊）刊載了一篇論文“Cramming MoreComponents onto Integrated Circuits”（“讓集成電路裝進更多的元器件”），作者即Intel的合作創始人Gordon Moore（摩爾）[英特爾公司，1968年創立年營收2672美元、去年達559億美元，久執世界半導體公司之牛耳。筆者插一句，創立時主要領導是摩爾和集成電路發明人之一的諾伊斯（R.N.Noyce）二人，原計劃起名“Moore Noyce”，認為不太理想，且有“more noise”（更多噪聲）之諧音，故借助“IntegratedCircuits”而取名“Intel”。格魯夫（A.Grove）是最早為數不多的的員工之一，多才多智，為公司克艱避難，快速發展屢著勞績，1976年升任公司首席運營官，19 87年任總裁，1997年取代摩爾任董事長，超前決策，威望夙著，有《高產出管理》-書問世，風靡一時、故后常把三人相提并論]。摩爾時任FairchildSemiconductor（仙童半導體公司’）研究開發實驗室主任，文章是應《電子學》雜志成立35周年而寫。摩爾依據集成電路產業在1959年～1965年6年間的發展傾向、進行了觀察、總結并預測： “至少今后10年間（集成電路的集成度）將以每年翻番的速度前進（圖1）。”

集成電路于1959年研發成功，大約是5個元器件、1965年時單塊集成電路上也不過集成了30個元器件，摩爾推斷10年后到1975年時可增長到6萬個。雜志刊載的原文是這樣的：“Theser[1965]were the very early days ofintegrated circuits that typically 30 components and I could seein the lab， we had something with 60 components that would belaunch in the next years”、“So Ilooked back and saw thatwe had pretty much doubled the components every year， so Itook this and extrapolated for the next ten years t0 60，000.”

實際那時集成電路問世不久，可增長十分迅速，摩爾觀察時間并不算長，資料基礎不扎實，故而只是連自己信心都不強的大致推算，他說： “It got the ideaacross， but I didn't expect it to be prease.” “I could justsee the trends earlier than some others， someone called itMoore，s Law.”當時在雜志上發表后、讀者也沒什么反響。但是，隨著時間的前進，Intel公司的堅持，集成電路產業的實際發展、多少年來的事實證明摩爾的預測是準確的，且一直沿用至今，將它視為推動產業前進的核心動力，被譽為IT（信息技術）產業的第一定律。摩爾是比人看得早一點，反映了摩爾的過人洞察力和預見性。

摩爾定律通常的表達方式有二：（1）集成電路上集成的元器件數量每隔18個月翻一番；（2）微處理器的性能每隔18個月提高一倍、而價格下降一半。兩種表達的內涵大同小異，第二種表達加上了價格的因素（當然很重要），二者最大的一致是都說“18個月（一年半）”而非摩爾所說的“每年翻番”。的確， “摩爾定律”這一概念的提出并不是摩爾自己，摩爾也說是“someone called it Moore's Law.”摩爾反倒說過：同在Intel工作的Dave House曾經提出， “計算機的功率大約每18個月翻一番”，因而摩爾認為“18個月翻番”的提法應歸功于他。今天通用的“18個月翻番”的提法究竟是否即由此而來，筆者查閱了不少資料，還是不無歉意地難道其詳。

摩爾定律的發展

摩爾定律提出以后包括摩爾在內一直在進行修正，據報道，1975年摩爾即在IEEE年會上提交了論文，根據當時實際的發展情況即對增長率作了重新審定和修正，他說：“from 1975 it was doubling everycouple of years rather than every year”（1975年后兩年翻一番）。筆者所見的具體報道是這樣的：按集成電路的集成度計算，1965年～19 70年間其上的晶體管數是每年翻一番，1970年～2003年間為1.5年～2年翻一番，2003年～2009年間2年翻一番、往后將是3年翻一番。《日經電子學》最新報道則說：從摩爾定律提出以后，集成度增速曾被修正為“2年2倍”（即2年翻番）和“1.5年2倍”（1年半翻番）等。總之，摩爾定律提出的增長率從未停止過，只是速度在趨緩罷了。

Intel公司是一直力挺摩爾定律的，就其生產的處理器而言，1971年推出的4004處理器上僅集成了2300個晶體官，而到2004年推出的Itarium2處理器進步到5.92億個，33年的年均增長率為46%（1年長半倍）。從DRAM的存儲容量來看，則1970年為4Kb，2005年達到32Gb，35年的年均增長率為57%（更快一點，1年半倍多）。

摩爾定律持續生效在很大程度上應歸功于半導體加工工藝微細化的不斷進步。半導體工藝的微細化大約是每3年縮小60% N70%，加工尺寸縮小60%，芯片面積就能縮小近1/3，從而使摩爾定律得以實現集成度每1年半翻番的規律。縱觀半導體工藝微細化的發展速度，從0.1μm后開始緩行，從30nm后的發展速度更進一步放慢（圖2）。

摩爾定律的功績

摩爾定律誕生至今已整整50年了，從未失準，始終適用，受到了業界的普遍認可和贊譽，說“摩爾定律的重要性怎么形容也不為過”！它的影響及于電子產業的一切領域，涵蓋電子元器件的尺寸、價格、密度和速度，產品的性能和存儲容量，傳感器的敏感度、時鐘速度甚至圖像芯片的像素等。正是因為集成電路上的晶體管數量成倍增長使芯片能夠搭載越來越復雜的電路系統，使電子產品不僅變得越來越小，而且性能提高、能源節約、價格便宜，推動了信息技術革命，催生了個人電腦、以iPhone為代表的移動電話、可穿戴設備等等。一臺計算機的價格比起40年前，已然便宜了許多倍，而一部智能手機擁有的計算能力，已經超過了20世紀90年代計算機科學家使用的工作站。

50多年前，信息的傳遞既昂貴又緩慢，今天，互聯網把計算能力日益強大的服務器、PC和移動終端連接在一起，徹底改變了人與信息的關系，瞬息之間信息可以免費傳遞到世界任何一個角落。摩爾定律徹底改變了我們的生活，世界己到了人手一機（手機）的地步，以前一般認為：“衣食住行”是人生的四大需求，而今則必須再加“信”（通信），而成為“衣食住行信”五大需求。摩爾定律的一大效應是把信息權力（power）交給了每一個人，讓每個人都擁有信息權利（right），信息不再為少數人所壟斷，從而改變了人與人、人與社會、人與萬物乃至物與物之間的關系。摩爾說，摩爾定律既關乎硅技術的延伸性，也關乎經濟學（和社會學）。在工業化時代，社會與經濟間最大的中介就是大眾傳播媒體（mass media），從生產、商業到最終消費者之間的信息流動，存在著這樣一條復雜的鏈條：研發一產品一銷售一市場一公關一記者一編輯一印刷一發行一讀者。信息單向流動而缺少互動：信息不對稱而存在鴻溝。摩爾定律效應大大削弱了大眾媒體的作用，特別是紙媒體受到巨大沖擊：讀者的閱讀變為消費者的網絡搜索，并可越過銷售中介直接與廠商對話。信息的顯著活躍和自由流動使人類大踏步地邁進了信息時代！

在摩爾定律誕生50周年之際，由三位作者ArnoldThackray（化學家）、David c.Brock（史學家）和Rach elJones（記者）合著了一冊名為“Moore，s Lawrlhe Life ofGordon Moore， SiliconValley，s Quiet Revolutionary（《摩爾定律 戈登‘摩爾的一生，硅谷寂靜的革命者》）的傳記（至今唯一的一本有關傳記，據查似尚無中譯本）。書中寫道：今日世界從你口袋里裝的手機到你駕駛的汽車，從社會媒體的巨大吸引力到五角大樓的戰略制定，無一不是由硅晶體管技術引導而成。年復一年，至今半個世紀，這些小東西的能力不斷增大，就如劇烈震蕩的政治或社會革命一樣，改變了人類的歷史進程。革命的核心人物就是一位文雅的加利福尼亞人：戈登·摩爾。《華爾街日報》發表評論說： 《摩爾定律傳》全面描述了摩爾的人生經歷和他功蓋千秋的預測。摩爾的預測無比準確，使他青史留名，成為硅谷傳奇。傳記對摩爾其人，特別是摩爾定律作了踐履篤實的歷史評價（未完待續）。