摩爾定律的歷程

　　摩爾定律是指IC上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。摩爾定律是由英特爾（Intel）名譽(yù)董事長戈登·摩爾（Gordon Moore）經(jīng)過長期觀察發(fā)現(xiàn)得之。

　　摩爾定律的由來

　　計(jì)算機(jī)第一定律——摩爾定律Moore定律1965年，戈登·摩爾（Gordon Moore）準(zhǔn)備一個(gè)關(guān)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器發(fā)展趨勢(shì)的報(bào)告。他整理了一份觀察資料。在他開始繪制數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的趨勢(shì)。每個(gè)新芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個(gè)芯片的產(chǎn)生都是在前一個(gè)芯片產(chǎn)生后的18-24個(gè)月內(nèi)。如果這個(gè)趨勢(shì)繼續(xù)的話，計(jì)算能力相對(duì)于時(shí)間周期將呈指數(shù)式的上升。Moore的觀察資料，就是現(xiàn)在所謂的Moore定律，所闡述的趨勢(shì)一直延續(xù)至今，且仍不同尋常地準(zhǔn)確。人們還發(fā)現(xiàn)這不光適用于對(duì)存儲(chǔ)器芯片的描述，也精確地說明了處理機(jī)能力和磁盤驅(qū)動(dòng)器存儲(chǔ)容量的發(fā)展。該定律成為許多工業(yè)對(duì)于性能預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。在26年的時(shí)間里，芯片上的晶體管數(shù)量增加了3200多倍，從1971年推出的第一款4004的2300個(gè)增加到奔騰II處理器的750萬個(gè)。

　　由于高純硅的獨(dú)特性，集成度越高，晶體管的價(jià)格越便宜，這樣也就引出了摩爾定律的經(jīng)濟(jì)學(xué)效益，在20世紀(jì)60年代初，一個(gè)晶體管要10美元左右，但隨著晶體管越來越小，直小到一根頭發(fā)絲上可以放1000個(gè)晶體管時(shí)，每個(gè)晶體管的價(jià)格只有千分之一美分。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，按運(yùn)算10萬次乘法的價(jià)格算，IBM704電腦為1美元，IBM709降到20美分，而60年代中期IBM耗資50億研制的IBM360系統(tǒng)電腦已變?yōu)?.5美分。

　　摩爾定律的產(chǎn)生

　　早在1959年，美國著名半導(dǎo)體廠商仙童公司首先推出了平面型晶體管，緊接著于1961年又推出了平面型集成電路。這種平面型制造工藝是在研磨得很平的硅片上，采用一種所謂“光刻”技術(shù)來形成半導(dǎo)體電路的元器件，如二極管、三極管、電阻和電容等。只要“光刻”的精度不斷提高，元器件的密度也會(huì)相應(yīng)提高，從而具有極大的發(fā)展?jié)摿?。因此平面工藝被認(rèn)為是“整個(gè)半導(dǎo)體工業(yè)鍵”，也是摩爾定律問世的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　1965年4月19日，時(shí)任仙童半導(dǎo)體公司研究開發(fā)實(shí)驗(yàn)室主任的摩爾應(yīng)邀為《電子學(xué)》雜志35周年?？瘜懥艘黄^察評(píng)論報(bào)告，題目是：“讓集成電路填滿更多的元件”。摩爾應(yīng)這家雜志的要求對(duì)未來十年間半導(dǎo)體元件工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)作出預(yù)言。據(jù)他推算，到1975年，在面積僅為四分之一平方英寸的單塊硅芯片上，將有可能密集65000個(gè)元件。他是根據(jù)器件的復(fù)雜性（電路密度提高而價(jià)格降低）和時(shí)間之間的線性關(guān)系作出這一推斷的，他的原話是這樣說的：“最低元件價(jià)格下的理雜性每年大約增加一倍?？梢源_信，短期內(nèi)這一增長率會(huì)繼續(xù)保持。即便不是有所加快的話。而在更長時(shí)期內(nèi)的增長率應(yīng)是略有波動(dòng)，盡管役有充分的理由來證明，這一增長率至少在未來十年內(nèi)幾乎維持為一個(gè)常數(shù)?！边@就是后來被人稱為“摩爾定律”的最初原型。

　　摩爾定律的修改

　　1975年；摩爾在國際電信聯(lián)盟IEEE的學(xué)術(shù)年會(huì)上提交了一篇論文，根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況，對(duì)“密度每年回一番”的增長率進(jìn)行了重新審定和修正。按照摩爾本人1997年9月接受（科學(xué)的美國人）一名編輯采訪時(shí)的說法，他當(dāng)年是把“每年翻一番”改為“每兩年國一番”，并聲明他從來沒有說過“每18個(gè)月翻一番”。

　　然而，據(jù)網(wǎng)上有的媒體透露，就在摩爾本人的論文發(fā)表后不久，有人將其預(yù)言修改成“半導(dǎo)體集成電路的密度或容量每18個(gè)月翻一番，或每三年增長4倍”，有人甚至列出了如下的數(shù)學(xué)公式：（每芯片的電路增長倍數(shù)）=2（年份-1975）/1.5。這一說法后來成為許多人的“共識(shí)”，流傳至今。摩爾本人的聲音，無論是最初的“每一年翻一番”還是后來修正的“每兩年翻一番”反而被淹沒了，如今已鮮有人知。

　　歷史竟和人們開了個(gè)不大不小的玩笑：原來目前廣為流傳的“摩爾定律”并非摩爾本人的說法！

　　摩爾定律的驗(yàn)證

　　摩爾定律到底準(zhǔn)不準(zhǔn)？讓我們先來看幾個(gè)具體的數(shù)據(jù)。1975年，在一種新出現(xiàn)的電荷前荷器件存儲(chǔ)器芯片中，的的確確含有將近65000個(gè)元件，與十年前摩爾的預(yù)言的確驚人地一致！另據(jù)Intel公司公布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，單個(gè)芯片上的晶體管數(shù)目，從1971年4004處理器上的2300個(gè)，增長到1997年 Pentium II處理器上的7.5百萬個(gè)，26年內(nèi)增加了3200倍。我們不妨對(duì)此進(jìn)行一個(gè)簡單的驗(yàn)證：如果按摩爾本人“每兩年翻一番”的預(yù)測(cè)，26年中應(yīng)包括13個(gè)翻番周期，每經(jīng)過一個(gè)周期，芯片上集成的元件數(shù)應(yīng)提高2n倍（0≤n≤12），因此到第13個(gè)周期即26年后元件數(shù)應(yīng)提高了212＝4096倍，作為一種發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，這與實(shí)際的增長倍數(shù)3200倍可以算是相當(dāng)接近了。如果以其他人所說的18個(gè)月為翻番周期，則二者相去甚遠(yuǎn)。可見從長遠(yuǎn)來看，還是摩爾本人的說法更加接近實(shí)際。

　　也有人從個(gè)人計(jì)算機(jī)（即PC）的三大要素--微處理器芯片、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和系統(tǒng)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(qiáng)，價(jià)格越來越低，每一次更新?lián)Q代都是摩爾定律的直接結(jié)果。與此同時(shí)PC機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器容量由最早的480k擴(kuò)大到8M，16M，與摩爾定律更為吻合。系統(tǒng)軟件方面，早期的計(jì)算機(jī)由于存儲(chǔ)容量的限制，系統(tǒng)軟件的規(guī)模和功能受到很大限制，隨著內(nèi)存容量按照摩爾定律的速度呈指數(shù)增長，系統(tǒng)軟件不再局限于狹小的空間，其所包含的程序代碼的行數(shù)也劇增：Basic的源代碼在1975年只有4，000 行，20年后發(fā)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27，000行代碼，20年后增加到大約200萬行。有人將其發(fā)展速度繪制一條曲線后發(fā)現(xiàn)，軟件的規(guī)模和復(fù)雜性的增長速度甚至超過了摩爾定律。系統(tǒng)軟件的發(fā)展反過來又提高了對(duì)處理器和存儲(chǔ)芯片的需求，從而刺激了集成電路的更快發(fā)展。

　　這里需要特別指出的是，摩爾定律并非數(shù)學(xué)、物理定律，而是對(duì)發(fā)展趨勢(shì)的一種分析預(yù)測(cè)，因此，無論是它的文字表述還是定量計(jì)算，都應(yīng)當(dāng)容許一定的寬裕度。從這個(gè)意義上看，摩爾的預(yù)言實(shí)在是相當(dāng)準(zhǔn)確而又難能可貴的了，所以才會(huì)得到業(yè)界人士的公認(rèn)，并產(chǎn)生巨大的反響。

　　摩爾定律的變種

　　摩爾定律的響亮名聲，令許多人競相仿效它的表達(dá)方式，從而派生、繁衍出多種版本的“摩爾定律”，其中如：

　　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(chǎn)廠的成本也在相應(yīng)提高。1995年，Intel董事會(huì)主席羅伯特·諾伊斯預(yù)見到摩爾定律將受到經(jīng)濟(jì)因素的制約。同年，摩爾在《***》雜志上撰文寫道：“現(xiàn)在令我感到最為擔(dān)心的是成本的增加，…這是另一條指數(shù)曲線”。他的這一說法被人稱為摩爾第二定律。

　　新摩爾定律：近年來，國內(nèi)IT專業(yè)媒體上又出現(xiàn)了“新摩爾定律” 的提法，則指的是我國Internet聯(lián)網(wǎng)主機(jī)數(shù)和上網(wǎng)用戶人數(shù)的遞增速度，大約每半年就翻一番！而且專家們預(yù)言，這一趨勢(shì)在未來若干年內(nèi)仍將保持下去。

　　摩爾定律的終結(jié)

　　摩爾定律問世至今已近40年了。人們不無驚奇地看到半導(dǎo)體芯片制造工藝水平以一種令人目眩的速度提高。目前，Intel的微處理器達(dá)芯片Pentium 4的主頻已高2G（即12000M），2011年則要推出含有10億個(gè)晶體管、每秒可執(zhí)行1千億條指令的芯片。人們不禁要問：這種令人難以置信的發(fā)展速度會(huì)無止境地持續(xù)下去嗎？不需要復(fù)雜的邏輯推理就可以知道：芯片上元件的幾何尺寸總不可能無限制地縮小下去，這就意味著，總有一天，芯片單位面積上可集成的元件數(shù)量會(huì)達(dá)到極限。問題只是這一極限是多少，以及何時(shí)達(dá)到這一極限。業(yè)界已有專家預(yù)計(jì)，芯片性能的增長速度將在今后幾年趨緩。一般認(rèn)為，摩爾定律能再適用10年左右。其制約的因素一是技術(shù)，二是經(jīng)濟(jì)。

　　從技術(shù)的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯(cuò)率也將呈指數(shù)增長，同時(shí)也使全面而徹底的芯片測(cè)試幾乎成為不可能。一旦芯片上線條的寬度達(dá)到納米（10-9米）數(shù)量級(jí)時(shí)，相當(dāng)于只有幾個(gè)分子的大小，這種情況下材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，致使采用現(xiàn)行工藝的半導(dǎo)體器件不能正常工作，摩爾定律也就要走到它的盡頭了。

　　從經(jīng)濟(jì)的角度看，正如上述摩爾第二定律所述，目前是20-30億美元建一座芯片廠，線條尺寸縮小到0.1微米時(shí)將猛增至100億美元，比一座核電站投資還大。由于花不起這筆錢，迫使越來越多的公司退出了芯片行業(yè)?？磥砟柖梢倬S持十年的壽命，也決非易事。

? ? ? ?摩爾定律歷程圖

　　然而，也有人從不同的角度來看問題。美國一家名叫CyberCash公司的總裁兼CEO丹·林啟說，“摩爾定律是關(guān)于人類創(chuàng)造力的定律，而不是物理學(xué)定律”。持類似觀點(diǎn)的人也認(rèn)為，摩爾定律實(shí)際上是關(guān)于人類信念的定律，當(dāng)人們相信某件事情一定能做到時(shí)，就會(huì)努力去實(shí)現(xiàn)它。摩爾當(dāng)初提出他的觀察報(bào)告時(shí)，他實(shí)際上是給了人們一種信念，使大家相信他預(yù)言的發(fā)展趨勢(shì)一定會(huì)持續(xù)。