摩爾定律：我這一輩子，見證了電子產(chǎn)業(yè)的崛起

　　如果將摩爾定律比為一個人，到今年他已經(jīng)是個50歲的中年人了。在這五十年中電子產(chǎn)業(yè)遵循著摩爾定律獲得了巨大的進步，然而在今天人們也會想知道摩爾定律是否已經(jīng)過時，它還能不能適應(yīng)時代繼續(xù)對于未來電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到指導(dǎo)作用。在本文的上篇中我們將回到上世紀(jì)60年代，看看摩爾是在什么樣的時代背景與實踐中提出了摩爾定律，發(fā)現(xiàn)摩爾定律中不被重視的另一面。

　　半個世紀(jì)前，一個名叫戈登摩爾的年輕工程師仔細觀察了他所處的新興行業(yè)，并且對于接下來十年中在這一行業(yè)里會發(fā)生的各項大事件做出了自己的預(yù)測。這篇長達 4 頁的預(yù)測文章被刊登在 Electronics 雜志上，這位年輕工程師預(yù)測在未來會出現(xiàn)家用計算機、移動電話以及擁有自動駕駛系統(tǒng)的汽車。他在文章中預(yù)測集成芯片上可容納的電子元件數(shù)量將每年穩(wěn)定地增加一倍，這會使得集成芯片越來越經(jīng)濟實惠，而這也就是驅(qū)使他筆下那些奇思妙想的技術(shù)化為現(xiàn)實的動力。

　　在文章發(fā)表十年之后，這一描述集成芯片上電子元件指數(shù)式增長的「摩爾定律」并沒有停止下來的跡象。時至今日，摩爾定律在近五十年來的科技高速發(fā)展進程中貫穿始終，遵循著摩爾定律的現(xiàn)代科技為人們的生活帶來了計算機、個人電子設(shè)備以及傳感器。摩爾定律對于現(xiàn)代化生活的影響是難以估量的，如果沒有集成芯片的不斷發(fā)展，我們坐不了飛機，打不了電話，甚至連洗碗機都用不了，更別提發(fā)現(xiàn)希格斯波色子與創(chuàng)造互聯(lián)網(wǎng)了。

　　但是說到底，摩爾定律究竟是如何影響了我們的生活，它為什么能夠取得這樣的成就？摩爾說明了技術(shù)進步是毋庸置疑且勢不可擋的，還是它僅僅反應(yīng)了在一個特殊時期中的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r？時至今日，我們還能用摩爾定律來解釋最近十幾年計算機方面的技術(shù)進步與創(chuàng)新進展嗎？

　　在我看來，摩爾定律的地位是毋庸置疑的。摩爾定律是時代的證明，它代表了人類的辛勤工作、聰明才智以及來自自由市場的激勵。摩爾的預(yù)言在起初只是對于一個新興產(chǎn)業(yè)的簡單觀察總結(jié)，但是隨著時間的推移，它已經(jīng)成為了一種自我實現(xiàn)的預(yù)期。摩爾定律的實現(xiàn)是由千千萬萬創(chuàng)新公司與工程師們持續(xù)創(chuàng)造的結(jié)果，他們能夠從摩爾定律中看出行業(yè)發(fā)展的潛力，并且竭盡全力去保持技術(shù)上的領(lǐng)先地位，否則就會冒著落后于競爭對手的風(fēng)險。

　　不過我也想說，盡管摩爾定律被無休止地套用在解釋各類技術(shù)進步上，但是它并不僅僅是一個簡單的概念。摩爾定律的含義在這幾十年的發(fā)展中經(jīng)過了反反復(fù)復(fù)的改變，直到今天它依然在不斷變化。如果我們想要從摩爾定律中領(lǐng)悟技術(shù)進步的本質(zhì)以及從中預(yù)測未來的發(fā)展，那就還需要進行深入地了解與觀察。

　　在上個世紀(jì) 60 年代，當(dāng)時硅谷還沒有名滿天下，年輕的戈登摩爾在仙童半導(dǎo)體公司擔(dān)任研發(fā)主管。在從肖克利半導(dǎo)體實驗室出走之后，他與別人一起在 1957 年成立了這家公司。在這家公司中，他們一起完成了硅晶體管的早期研發(fā)工作。

　　仙童公司是當(dāng)時為數(shù)不多的針對硅晶體管進行開發(fā)的公司，晶體管是一種可變電流開關(guān)，能夠基于輸入電壓控制輸出電流，并可用于計算和儲存數(shù)據(jù)。仙童公司很快就從中發(fā)現(xiàn)了利基市場。

　　在當(dāng)時，大多數(shù)的電路是由單個晶體管、電阻、電容以及二極管連接組成，它們被手動組裝在一塊電路板上。而在 1959 年，仙童公司的赫爾尼發(fā)明了平面晶體管，取代了之前的臺面晶體管。

　　有了這種平面晶體管，工程師就可以將多個晶體管布線互聯(lián)在一起，安裝在在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，制作出一種被稱為「集成電路」的東西。德州儀器的杰克基爾比是集成電路方面的先驅(qū)者，他首先想到了電阻器和電容器 （無源元件） 可以用與晶體管 （有源器件） 相同的材料制造。摩爾的同事羅伯特？諾伊斯則用實踐顯示了平面晶體管可以被用來制造集成電路， 通過給晶體管覆蓋一層絕緣的氧化物涂層， 然后添加鋁線去連接不同的晶體管就可以實現(xiàn)。仙童公司將這種新的制造工藝投入到了首個硅集成電路的制作中，這種硅集成電路于 1961 年面世，剛剛開始只包含了 4 個晶體管。到了 1965 年，該公司已經(jīng)能夠制作出包含了 64 個電子元件的集成電路了。

　　有了這些前期知識的積累，摩爾在 1965 年發(fā)表的一篇論文中做出了大膽的結(jié)論：集成電路代表了電子產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展方向。這聲明在今天看來當(dāng)然是不言自明的，但是在當(dāng)時那個年代卻引起了爭議。很多人都質(zhì)疑摩爾的觀點，認(rèn)為集成電路不過是電子產(chǎn)業(yè)中的一個小小分支。

　　這些質(zhì)疑是可以被諒解的，因為在當(dāng)時集成電路的工藝比其他手工電路板產(chǎn)品復(fù)雜得多，而且也貴得多——從今天的計算角度來看，在當(dāng)時集成電路的成本高達 30 美元，而單個組件的成本不到 10 美元。在那個年代，生產(chǎn)集成電路的公司屈指可數(shù)，而他們真正的顧客也只有美國航空航天局以及美國軍方。

　　不過讓問題更加復(fù)雜的是當(dāng)時的晶體管并不可靠。據(jù)摩爾回憶，在當(dāng)時單個晶體管大約只能發(fā)揮出 10%-20% 的功效。當(dāng)你將多個晶體管集成在同一塊電路板上，雖然期望它能夠發(fā)揮出最大的功效，但其實效果并不盡如人意。之所以會出現(xiàn)這種狀況，是因為這種操作邏輯是有缺陷的。雖然有 8 個晶體管被集成在同一塊電路板上，實際上它們并不能發(fā)揮出整體的效果，其工作效果還是等同 8 個獨立的晶體管。這是由于每個晶體管發(fā)生故障的概率是獨立的，且這種故障是隨機出現(xiàn)的，比如飛濺的油漆就能讓晶體管失效。如果兩個相鄰的晶體管中有一個發(fā)生了故障，那這兩個晶體管就會同時罷工。因此也就是說當(dāng)把兩個晶體管連接在一起時，就要冒著一損俱損的風(fēng)險。

　　雖然面臨種種困難，摩爾仍然堅信集成電路總有一天會被證明是一種經(jīng)濟實惠的選擇。在他 1965 年發(fā)表的論文中，摩爾為了證明集成電路將擁有光明的未來，將仙童公司的第一代平面晶體管以及后續(xù)生產(chǎn)的一系列集成電路作為參照，構(gòu)建了一個對數(shù)模型。在該模型中，他發(fā)現(xiàn)隨著時間發(fā)展，每年集成電路上的元件數(shù)量就會增加一倍。

　　通過在模型中加上一條小小的趨勢線，摩爾做出了一個大膽的推斷：這種增長趨勢將持續(xù) 10 年。到了 1975 年，他又預(yù)測人們將親眼目睹集成電路上的元件數(shù)量從 64 增長到 65000。這個預(yù)測已經(jīng)相當(dāng)接近現(xiàn)實。在 1975 年時，英特爾公司準(zhǔn)備生產(chǎn)的電荷耦合（CCD）內(nèi)存芯片上就已經(jīng)包含了 32000 個元件，只要經(jīng)過一年的發(fā)展，其結(jié)果就會與摩爾的預(yù)測相當(dāng)接近。而這家英特爾公司正是在 1968 年摩爾與諾伊斯、葛羅夫脫離了仙童公司后成立的。