半个世纪前，一位名为戈登·摩尔的年轻工程师对他所在的行业进行了深入的观察与审视，对该行业在未来10年里会发生的重大事件作出了预测。在一篇长达4页，发表于《电子学》（Electronics）杂志上的论文中，摩尔大胆地预测了家用计算机、移动电话和自动驾驶汽车的出现。他写道，集成芯片的不断发展是这一切奇迹发生的基础。他认为，集成芯片上能容纳的电子元件个数每年都能翻倍。容量加大的同时，集成芯片的价格也会越来越实惠，功能越来越强大，最终推动以上技术的实现。
这篇文章发表后的10年里，摩尔的推测一一实现。更神奇的是，摩尔定律的魔力似乎没有停止的迹象。时至今日，摩尔定律已50岁“高寿”，成功预测了计算机、个人电子设备和传感器的诞生，对我们的生活产生了难以估量的影响。没有集成芯片的指数式发展，我们根本不可能使用飞机、电话，甚至洗碗机，更别提创造互联网和发现希格斯玻色子（Higgs boson，标准模型预言存在的一种基本粒子，是一种自旋为零，不带电荷、色荷，非常不稳定，在生成后会立刻衰变玻色子的玻色子。2013年科学家们通过大型强子对撞机发现了一种符合希格斯玻色子特性的粒子。这一技术离不开集成芯片）。
那摩尔定律到底是什么？它为什么能取得这样的成就？摩尔定律的大获成功是不是说明了技术进步是无可避免且永不停止的过程？还是说，它仅仅反映了由硅片和一系列的技术发展带来的特殊发展时期？
在我看来，摩尔定律预测的一切，并不是“无可避免”的。与其把计算机方面的发展归功于摩尔定律的魔力，倒不如说是人类的精力、智慧和自由市场的激励的结果。摩尔定律最初不过是对一个新兴产业的观察与展望，但随着技术的发展，它已然成为了一种自我实现的预期。公司和工程师们发现摩尔定律中蕴含的利益空间，以其为目标，努力实现――否则就会被市场所淘汰。
尽管摩尔定律被断章取义套用在各个领域上，它本身并不是一个简单概念。在过去的几十年里，摩尔定律的含义在不断修改，不断变化。如果想从摩尔定律中推断技术进步的本质和未来的发展趋势，我们需要静下来，深入地了解它。
摩尔定律1.0
上世纪60年代初，硅谷还名不见经传，戈登·摩尔在仙童半导体公司担任研发主管。在此之前，戈登和其他几位创始人在肖克利半导体实验室（Shockley Semiconductor Laboratory）从事硅晶体管的研发工作。从该实验室叛离后，戈登等人在1957年创立了仙童半导体公司。
仙童是当时为数不多的开发硅晶体管的公司。通过把无数个晶体管集成于芯片上，芯片便具有了运算和储存数据的功能。仙童公司很快赚了到第一桶金。
当时，大多数电路都是由单个晶体管、电容、电阻以及二极管连接而成，通过手工固定在电路板上。但在1959年，仙童公司的珍·霍尔尼（Jean Hoerni）发明了平面晶体管――这种晶体管固定在硅片上，而传统的台面晶体管固定在硅台上。平面晶体管很快取代了台面晶体管。
基于这种平面晶体管，工程师们可以把多个晶体管排布在一起，固定在一块半基片上制成集成电路。德州仪器的杰克·基尔比（Jack Kilby）首先提出通过基片表面的布线来直接连接各个电路元件。摩尔的同事罗伯特·诺伊斯更是提出奇思妙想：给晶体管覆盖一层绝缘的氧化物涂层，然后添加铝线连接不同的晶体管。仙童公司采用这个技术，于1961年制造了第一批包含4个晶体管的硅集成电路。到1965年，仙童公司已能制造出包含64个电子元件的集成电路。
在这些理念的基础上，摩尔的论文开头便惊人：“集成电路代表了电子产业的未来。”这一说法在今天是显而易见的，但在当时备受争议。很多人认为集成电路不过是电子产业大版图上的一小片。
这些质疑情有可原，尽管第一代集成芯片比手工电路板简洁很多，但它的成本也高很多。只有极少数公司能制造集成电路，而仅有的客户是美国航空航天局和军方。
更重要的是，当时的晶体管性能很差。据摩尔表示，制作的大批晶体管中，只有一小部分真正有效――大概不到10-20%。如果你在芯片上封装很多晶体管，你只能指望一小部分晶体管能正常工作，芯片的工作效果差强人意。
更糟糕的是，将晶体管集成后，并不能提高工作效果。一片集成有8个晶体管的芯片的工作效果和8个独立的晶体管差不多。这是由于在集成芯片中，各个晶体管发生故障的概率并不独立。集成芯片中，各种问题都会影响电路，而且一个故障能同时累及几个晶体管。比如说，一块稍微大一点的油漆斑点，能够同时影响临近的几个晶体管。
尽管困难重重，摩尔坚信集成电路能够降低成本。在论文中，他以仙童公司的集成芯片发展为参照，绘制了集成电路的发展曲线。据该模型，每年集成电路上的电子元件数量会增加一倍。
基于此模型，摩尔作出了一个大胆的预测：这种指数增长趋势会持续10年。这意味着，到10年后，也就是1975年，一个集成芯片上能容纳的电子元件由64个增长到65000个。10年后，英特尔公司生产的电荷耦合芯片（CCD，Charged Coupled Device）上能容纳32000个电子元件。只需要一年，就能实现摩尔的预测。不得不提到的是，英特尔公司是摩尔等人离开仙童公司后所创。
当我重温这篇论文时，我发现了一些容易被忽略的细节。首先，摩尔的预测是针对集成芯片上的电子元件数量――不仅包括晶体管，还包括电阻、电容等。早期的集成芯片中的电阻比晶体管要多。后来金属氧化物半导体晶体管出现后，电子行业迎来了数字时代。晶体管在集成电路中起到主要作用，封装的晶体管数目也成为了集成电路的主要衡量指标。
这篇论文同时也体现了摩尔对于集成电路的经济效益的关注。摩尔定律中，摩尔关注的并不是每个芯片上电子元件的最大容量或平均容量，而是在平均成本最低的情况下可包含的元件数目。摩尔深深知道，集成电路上能容纳的元件个数和经济利益最大化时芯片上的元件个数完全不是一回事。对于芯片发展的每个时期，都有一个“最有效点”。芯片上的元件增多时，每个元件的成本会降低。但一旦超过某个点，每个元件的成本会不降反升。而这个点就是“最有效点”。从过去到现在，集成芯片设计和制造的目标正是将电子元件个数控制在最佳平衡点上。
实际上，我并不认为摩尔定律会失效。相反，我认为，摩尔定律将又一次面临修订和变革。
随着芯片制造技术的不断进步，最佳平衡点也在不断提升――集成芯片上的元件数量不断增加，而每个元件的制造成本在降低。在过去50年里，一个晶体管的成本由30美金降低到今天不要钱的地步，摩尔本人也没有想到会出现这么巨大的变化。但在1965年，摩尔就已经意识到，集成芯片的成本会慢慢降下来，同时有可能会出现性价比更高的替代物，而集成芯片的发展之路应当是高性能和低价格。
摩尔定律2.0
最有效点:摩尔定律于1965年面世，当时它的核心是经济效益。摩尔认为，在任何制造技术的发展中，都会有一个成本曲线，集成芯片也不例外。他指出，往集成芯片上封装的元件越多，单个元件的成本越低。但一旦超过某个点，添加元件获得的收益会减少，而成本会增加。这个点就是最有效点。最有效点处，每个元件成本最低。但随着技术的进步，最有效点不断向右下方移动，即集成电路中的元件越来越多，成本也越来越低。
10年后，也就是1975年，摩尔对摩尔定律进行了一定的修正。他在1975年的电气和电子工程师协会（IEEE,Institute of Electrical and Electronics Engineers）国际电子设备大会上分析了集成芯片上的元件数量如何实现每年翻倍这一问题。摩尔指出，三个因素导致了这一结果：元件尺寸的减小，芯片面积的增大，以及“设计智慧”――工程师们不断减小芯片上的无用空间，提高空间利用率。
摩尔认为，晶体管上的元件个数之所以能够每年翻倍，一半归功于前两个因素，另外一半则全是工程师们“设计智慧”的功劳。但当英特尔公司的CCD内存（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）产品面世后，摩尔表示，“设计智慧”就无关紧要了。在CCD内存中，所有的元件都是紧密排布，不存在浪费的空间。因此他预测，此后芯片上的元件个数翻倍单纯依靠芯片面积的扩大和元件尺寸的减小。单个芯片上元件个数翻倍所需的时间也从一年延长到两年。
讽刺的是，CCD内存的出错率很高，英特尔公司不得不放弃发行CCD产品。但逻辑芯片、微处理器等电子产品的发展确实验证了摩尔的预测。在七十年代初，芯片上的元件个数每两年翻一倍。而设计更简单的内存芯片发展速度更快，每18个月其包含元件个数就翻一倍。
在推动芯片容纳元件个数不断翻倍的三个技术因素中，缩小晶体管的尺寸尤为重要。至少在一段时间里，晶体管的尺寸缩小，没有带来任何负面的影响，性能毫无下降，造价也没有上涨――这在工程设计中是非常罕见的。根据IBM工程师罗伯特·登纳德（Robert Dennard）提出的缩放比例定律（即：随着芯片上晶体管数目的增加，功率密度必须保持不变），每一代晶体管都在上一代的基础上取得重大进步。晶体管尺寸减小，不仅让单个芯片上容纳的元件个数大大增加，并且这些晶体管响应速率更快，耗能更低。
晶体管的尺寸不断影响着摩尔定律的实现。工程师们采取两种方法来处理晶体管。在摩尔定律1.0时期，也就是早期，集成芯片的性能提高主要依靠“扩容”――往芯片上添加更多的电子元件。起初，实现这一目标只需要将各个元件的应用程序进行打包。因此，芯片越大越来，也越来越复杂。典型的例子是微处理器的诞生。
半导体行业的长足进步主要由摩尔定律2.0推动。这个阶段，集成芯片的主要进步在于“缩减”――芯片上元件个数不变的情况下，缩小晶体管的尺寸并降低成本。
实际上，摩尔定律1.0和2.0时代在时间上有所重合，但2.0时代“缩减”起到的作用更为明显。上世纪80年代到90年代初期被称为DRAM(Dynamic Random Access Memory，即动态随机存取存储器)时代：1989年，4M的DRAM问世；1992年，16M的DRAM发行。芯片的每一次更新换代都意味着芯片上的晶体管个数增多，工作效率提高，而成本却保持不变。
到上世纪90年代早期，集成芯片面临的挑战不再是元件个数，而是元件尺寸和成本。这很正常，因为大多数芯片不需要无穷尽地增加晶体管个数。集成芯片此时开始逐步推广到汽车、家电甚至玩具中。这种情况下，为提高芯片工作效率并降低成本，缩小晶体管尺寸势在必行。
后来，尽管技术允许，微处理器也停止了“扩容”。制造工艺能够实现单芯片上封装100亿个电子元件。实际上，极少有芯片会封装这么多晶体管。一个主要原因是集成芯片的设计已经跟不上了。
摩尔定律1.0至今仍适用于尖端图形处理器、可编程器件以及少数超级计算机的微处理器等领域。除此之外，摩尔定律2.0已占据统治地位。如今，摩尔定律又开始面临变革。
摩尔定律3.0
由于晶体管小型化并不能带来更多利处，摩尔定律的变革已然开始。在21世纪初期，这个趋势就开始显现。当时，晶体管的尺寸已经缩小到100纳米以下，登纳德的缩放比例定律也达到了极限。晶体管尺寸太小，以至于电子设备在关闭时也会漏电。这样电子设备非常耗电，而且可靠性也不断降低。尽管新材料和制造技术有助于解决这个问题，为了保持芯片功能，工程师们不得不停止大幅降低每个晶体管电压。
由于登纳德的缩放比例定律不再适用，继续缩小晶体管的尺寸不能加快芯片的运作效率，反而会造成不必要的损失。事实上，进一步缩小晶体管尺寸不仅会拖慢运作速度，还会增加芯片能耗。
因此，过去10多年里，摩尔定律更多的是针对成本而非性能。缩小晶体管尺寸是为了降低成本。但这并不意味着如今的微处理器性能比不上5年前或10年前的版本。除开不断进步的设计工艺外，廉价的晶体管带来的多核集成确保了微处理器性能的不断提升。
摩尔定律中有一点常常容易被忽视，而这一点也让成本问题变得尤为突出：随着晶体管尺寸的缩小，制造商制造每平方厘米芯片的成本基本不变。摩尔每英亩芯片的成本大概是10亿美元。不过芯片制造商很少会以面积为参考。
保持芯片成本几十年不变并不是一件容易的事情。制造商们为了提高产量做出了诸多努力。在1970年前后，硅晶片的产出率只达到20%，而如今已经提高到了80%-90%。硅晶片由圆形的硅材料切割成小片，硅芯片的面积也越来越大。硅片尺寸的增加也降低了制造成本。更重要的是，设备的效率提高了。由于生产设备和生产工艺的改进，硅晶片的生产效率和性能都有所提高。
芯片上日益密集的电子元件，以及不断降低的成本得益于三个因素：产量的提高，硅晶片的增大以及不断提高的设备生产效率。时至今日，这个发展趋势难以为继，因为刻蚀工艺变得越来越贵了。
在过去十年里，越来越小的元件不断增加刻蚀的复杂度，刻蚀成本每年增加10%左右。同时，每个晶体管的体积每年缩小约25%，成本也有所降低。但总制造成本的增长速度超过了晶体管的成本降低速度，因此下一代晶体管的整体成本高于上一代。
如果刻蚀成本增长太快，摩尔定律很快就会失效。目前我们已看到了这样的迹象。最为先进的刻蚀方法是沉浸式光刻技术，利用紫外光线通过液体介质后波长缩短，提高分辨率。各大公司正在积极研究基于短波光线的刻蚀技术，从而进一步提高分辨率。该技术原定于2004年投入使用，但由于技术问题，实际投入使用时间不断被推迟。芯片制造商不得不采用能够提高性能的双重成像等技术。但双重成像技术的耗时比单一成像增加了一倍。尽管如此，芯片制造商也在试图开发三重或四重成像模式，这些技术会进一步增加制造成本。2015年很可能是晶体管制作成本不降反升的转折点。
现在很多人认为，摩尔定律走到了尽头。实际上，我并不认为摩尔定律会失效，只是又到了需要修正的时候。
展望未来，半导体技术创新仍将继续，但这些技术并不一定能降低晶体管成本。进一步的发展可能在于提高芯片的集成程度：一个芯片上可能会集成不同的功能模块以降低成本。这听起来很像是摩尔定律1.0时代的故事，不同的是，制造商们不再试图把不同功能的芯片拼接成一个更大的芯片，而是将一直独立于硅芯片之外的非逻辑功能集成到硅芯片中。
一个典型的例子就是手机的摄像头功能。通过铜线将图像传感器直接整合到数字信号处理器上，从而实现手机的摄像功能。这样的例子还有很多。芯片设计者们已经开始着手研究如何将微机电系统集成到其他模块里。整合后，该芯片可用于制造微型加速器、陀螺仪甚至继电器逻辑。工程师们也在尝试整合微流体传感器，这种芯片可用于生物检测和环境测试。
这些技术让用户能够直接通过数字CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）来连接外部世界。大规模生产这些传感器和制动器能带来无线商机。
这个阶段被称为摩尔定律3.0时代，这个时代可能成果迭出，但半导体公司的经济效益可能并不乐观。把非标准元件整合到芯片中会带来很多意想不到的结果，比如创造新产品，增加新功能。但这种发展并无规律可循，轨迹无法预测，成败也难以预计。
我们不得不说，电子行业的发展难以预测。今天添加一个模块可能会带来收益，但谁也没法保证明天添加另一个模块也能获得收益。毫无疑问，对于很多半导体公司来说，这种转变十分痛苦。谁胜谁负尚无定论。
我仍然坚信，摩尔定律迎来了一个新的时代。一旦我们找到了可靠的、易量化的标准，技术爆炸指日可待：能与人体无缝对接的义肢，能检测空气与水体质量的智能手机APP，能从周边环境获取能量的微型传感器……诸如此类，只有你想不到，没有技术做不到。摩尔定律或许终将寿终正寝，但这个传奇会不断推动技术进步。
资料来源 IEEE Spectrum
责任编辑 粒 灰
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本文作者：“绅士科学家”克里斯·麦克（Chris Mack），从事光刻行业已有32年。大部分时间，麦克都认为摩尔定律已走到尽头。他甚至用自己的爱车莲花汽车来打赌：迟迟不面世的超紫外线光刻机前景惨淡。但他一直相信，摩尔定律的确是伟大的奇迹。