摩爾定律的多重生命

半個(gè)世紀(jì)以前，一位名為戈登?E?摩爾的年輕工程師在認(rèn)真審視了他所從事的這個(gè)羽翼初豐的行業(yè)后，預(yù)言了未來10年內(nèi)將出現(xiàn)的大事件。在專業(yè)雜志《電子學(xué)》（Electronics）上刊登的一篇長達(dá)4頁的文章中，摩爾對(duì)家庭計(jì)算機(jī)、手機(jī)和汽車自動(dòng)控制系統(tǒng)的未來作出了預(yù)言。他在文中寫道，集成電路上的電子元件將會(huì)以最經(jīng)濟(jì)的方式整合在一起，并且元件的數(shù)目將會(huì)每年穩(wěn)定遞增，而這種現(xiàn)象將不斷地促進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)出現(xiàn)奇跡。

10年過后，集成電路的指數(shù)級(jí)增長——后來被稱為“摩爾定律”——仍沒有終止的跡象。在今天看來，這一定律描述了一段非凡的、長達(dá)50年之久的輝煌時(shí)光。在這段時(shí)間里，計(jì)算機(jī)、個(gè)人電子設(shè)備和傳感器層出不窮。怎樣夸大摩爾定律對(duì)人類現(xiàn)代生活的影響都不過分。沒有摩爾定律，現(xiàn)在的我們就不可能坐飛機(jī)出行，打電話溝通，甚至不可能啟動(dòng)洗碗機(jī)。沒有摩爾定律，我們也不可能發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子或創(chuàng)造出互聯(lián)網(wǎng)。

然而，摩爾定律究竟所言何物？它何以如此成功？它是否論證了不可阻擋的科技發(fā)展趨勢(shì)？或者，它是否只是反映了工程學(xué)歷史上的一段獨(dú)特時(shí)期？正是在這段時(shí)間里，憑借硅晶的特殊屬性和一連串穩(wěn)步的工程創(chuàng)新，我們才獲得了這幾十年的巨大進(jìn)步。

我要說的是，摩爾定律所作的任何預(yù)測(cè)都不是必然會(huì)發(fā)生的。相反，它只是對(duì)人類智慧、辛勤工作和自由市場(chǎng)激勵(lì)機(jī)制的證明。摩爾的預(yù)言在最初只是對(duì)一個(gè)新興行業(yè)所作的極為簡單的觀察。但是隨著時(shí)間的推移，這個(gè)預(yù)言卻成為一個(gè)滿含期望和自我證明的預(yù)言——其實(shí)就是一些工程師和公司在發(fā)現(xiàn)摩爾定律的效益后，持續(xù)不斷地進(jìn)行的創(chuàng)造。他們一直在努力讓摩爾定律繼續(xù)發(fā)揮作用，防止自己在競爭中被淘汰出局。

我還要指出的是，盡管摩爾定律一直在不停地被解讀，但它并非是一個(gè)簡單的概念。在過去若干年中，摩爾定律的含義一直在反復(fù)變化，甚至目前也仍在演變。如果我們希望從摩爾定律中提取任何有關(guān)發(fā)展進(jìn)步的特性以及對(duì)未來預(yù)言的信息，我們還必須對(duì)它作出更深一步的解讀。

20世紀(jì)60年代初期，在硅谷還未成為被人們所熟知的“硅谷”之前，摩爾在仙童半導(dǎo)體公司擔(dān)任研發(fā)總監(jiān)。摩爾與其他幾個(gè)研究硅電子設(shè)備的同事，在一起離開肖克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室后，于1957年共同創(chuàng)立了仙童半導(dǎo)體公司。

仙童半導(dǎo)體公司是當(dāng)時(shí)為數(shù)不多的幾家開展晶體管研究的公司之一。而現(xiàn)在，晶體管作為無處不在的開關(guān)，大量地（數(shù)十億計(jì)）被集成在芯片上，用于完成各類計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作。當(dāng)時(shí)，仙童半導(dǎo)體公司在很短的時(shí)間內(nèi)便發(fā)掘到了自己的利基市場(chǎng)。

在當(dāng)時(shí)，大部分電路是靠人工將單個(gè)的晶體管、電阻器、電容器和二極管連接在電路板上的。但在1959年，仙童半導(dǎo)體公司的金?赫爾尼（Jean Hoerni）發(fā)明了平面晶體管，這種晶體管是在硅片平面上加工而成的，而不是采用凸起的硅臺(tái)面。

借助這種加工工藝，工程師們可以在晶體管上方用引線將各元件連接在一起，從而在同一片芯片上一次性制作出“集成電路”。德州儀器的杰克?基爾比（Jack Kilby）最先提出了初期的集成方案，利用架在芯片表面之上的“飛線”將器件連接在一起。但是摩爾的同事羅伯特?諾伊斯（Robert Noyce）卻向世人展示，平面晶體管也可以像立方塊一樣用來制造集成電路，只需將晶體管鍍上一層氧化物絕緣層，然后添加鋁來連接器件即可。仙童半導(dǎo)體公司采用了這種新的架構(gòu)并制造了首批硅集成電路。1961年發(fā)布的首款硅集成電路共容納了4個(gè)晶體管，這在當(dāng)時(shí)是一項(xiàng)很了不起的成就。到1965年時(shí)，仙童半導(dǎo)體公司已準(zhǔn)備發(fā)布帶有64個(gè)元件的芯片了。

掌握了這項(xiàng)技術(shù)的摩爾在1965年發(fā)表的論文的開篇便作出大膽陳述：“集成電子技術(shù)是電子學(xué)的未來?！痹诮裉炜磥?，這一聲明已不證自明，但在當(dāng)時(shí)卻充滿了爭議。許多人懷疑集成電路只能滿足一個(gè)小份額市場(chǎng)的需求。

這種懷疑是情有可原的。盡管最初的集成芯片比手工連線的芯片緊湊許多，但它們的成本也高出很多——按照今天的幣值計(jì)算，每個(gè)元件約為30美元，而獨(dú)立元件的成本卻不足10美元。當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上只有幾家公司制造集成電路，而它們真正的客戶也只有NASA和美國軍方。

而晶體管性能尚不可靠這一不爭事實(shí)讓問題變得更為嚴(yán)重。在當(dāng)時(shí)制造出的單個(gè)晶體管中，只有一小部分——摩爾后來回憶指出，只有百分之十至二十——能夠真正發(fā)揮作用。將這樣的六七個(gè)器件一起放在集成電路中，你一定會(huì)認(rèn)為這些小問題會(huì)疊加，導(dǎo)致只有極少數(shù)的芯片能夠正常使用。

然而，這一邏輯卻是錯(cuò)誤的。事實(shí)上，在制造含有8個(gè)晶體管的芯片時(shí)，能夠正常使用的芯片比例與制作8個(gè)單個(gè)晶體管時(shí)的可使用比例是相近的。原因在于這種概率并不是針對(duì)單個(gè)晶體管而言的。缺陷會(huì)占用空間，而多種類型的缺陷會(huì)像飛濺的油漆一樣隨機(jī)分布。如果將兩個(gè)晶體管緊密地放置在一起，單個(gè)晶體管自身的缺陷便可以同時(shí)影響兩個(gè)晶體管。因此，將兩個(gè)晶體管并排放在一起時(shí)由缺陷導(dǎo)致的失效風(fēng)險(xiǎn)與單獨(dú)一個(gè)晶體管是相同的。

摩爾確信，最終一定能夠證明集成工藝是經(jīng)濟(jì)合算的。在1965年發(fā)表的論文中，為了證明集成電路擁有無限光明的未來，摩爾在一幅曲線圖中按照先后順序繪制了5個(gè)時(shí)間點(diǎn)。第一個(gè)時(shí)間點(diǎn)是仙童半導(dǎo)體公司首款平面晶體管問世，隨后是公司的一系列集成電路產(chǎn)品推出的時(shí)間。摩爾采用的是半對(duì)數(shù)曲線圖，其中一個(gè)軸是分度不均勻的對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸，另一個(gè)軸是分度均勻的普通坐標(biāo)軸。指數(shù)函數(shù)在這種坐標(biāo)圖中會(huì)被顯示為直線。而摩爾所畫的，連接這5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的線大約是一條傾斜的直線，其傾斜度恰好對(duì)應(yīng)集成電路上每年翻倍的元件數(shù)量。

從這條小小的趨勢(shì)線出發(fā)，摩爾作出了大膽的推斷：這種翻倍現(xiàn)象將繼續(xù)維持10年。他預(yù)測(cè)，到1975年時(shí)，集成電路上的元件數(shù)量可以從64個(gè)增加至6.5萬個(gè)。實(shí)際上，摩爾的推測(cè)幾乎完全正確。摩爾于1968年離開仙童半導(dǎo)體公司，并與別人共同創(chuàng)立了英特爾公司。而英特爾公司在1975年所籌備推出的一款電荷耦合器件（CCD）存儲(chǔ)芯片中，大約有3.2個(gè)萬元件——僅比摩爾的千倍增長預(yù)測(cè)結(jié)果少了一半。

在回顧這篇令人矚目的論文時(shí)，我要指出幾個(gè)經(jīng)常被人們忽略的細(xì)節(jié)。首先，摩爾預(yù)測(cè)的是電子元件的數(shù)量——而不僅僅是晶體管或其他器件（例如電阻器、電容器、二極管）的數(shù)量。許多早期集成電路上所含有的電阻器數(shù)量的確要比晶體管多。后來，較少依賴非晶體管元件的金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）線路問世時(shí)，數(shù)字時(shí)代才真正開啟。晶體管開始發(fā)揮主導(dǎo)作用，它們的數(shù)量就成了衡量集成電路復(fù)雜性的更為有效的指標(biāo)。

這篇論文還展現(xiàn)了摩爾對(duì)集成工藝經(jīng)濟(jì)性的關(guān)注。他所定義的每個(gè)芯片上的元件數(shù)量并非最大值或平均值，而是當(dāng)每個(gè)元件的成本達(dá)到最小值時(shí)的元件數(shù)量。他已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，一個(gè)芯片上能夠集成的元件數(shù)量和具有經(jīng)濟(jì)意義的元件數(shù)量并不一定等同。相反，每一代芯片加工技術(shù)都存在一個(gè)“最佳狀態(tài)點(diǎn)”。芯片上的元件越多，單個(gè)元件的成本便會(huì)越低。但是當(dāng)超過一個(gè)臨界點(diǎn)之后，在既定空間內(nèi)集成更多的晶體管將會(huì)增加出現(xiàn)致命缺陷的可能，并降低有效芯片的產(chǎn)出率。從該臨界點(diǎn)開始，每個(gè)元件的成本將開始升高。集成電路設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的目標(biāo)便是——現(xiàn)在仍舊是——達(dá)到這個(gè)最佳狀態(tài)點(diǎn)。

隨著芯片加工工藝的改進(jìn)，達(dá)到最佳狀態(tài)點(diǎn)時(shí)的元件數(shù)量已越來越多，每個(gè)元件的成本也越來越低。在過去50年里，晶體管的成本已經(jīng)從30美元（按照現(xiàn)在的幣值計(jì)算）下降到十億分之一美元左右。摩爾幾乎未能預(yù)測(cè)到如此大的降幅。但是，早在1965年，摩爾就已意識(shí)到，集成電路作為分立元件的替代品，將從高成本、高性能轉(zhuǎn)變?yōu)榈统杀?、高性能。無論是性能還是經(jīng)濟(jì)方面，都更傾向于集成工藝。

10年之后，摩爾重溫并修正了他曾經(jīng)的預(yù)言。在他為1975年的IEEE國際電子器件會(huì)議所做的分析報(bào)告中，摩爾首先解答了元件數(shù)量翻倍如何實(shí)現(xiàn)的問題。他提出，這一變化趨勢(shì)是由3個(gè)因素決定的：越來越小的元件尺寸、不斷增加的芯片面積和“器件精明性（devicecleverness）”，即工程師能夠縮小多少晶體管之間的未使用面積。

摩爾認(rèn)為，呈現(xiàn)翻倍趨勢(shì)有一半是因?yàn)榍皟蓚€(gè)因素，另一半則應(yīng)歸功于“精明性”。但是對(duì)于英特爾公司當(dāng)時(shí)正準(zhǔn)備發(fā)布的CCD存儲(chǔ)器，他認(rèn)為精明性將很快不再發(fā)揮決定性作用。在CCD陣列中，所有器件均密密麻麻地排列成緊密的網(wǎng)格狀，已經(jīng)沒有多余空間可進(jìn)一步節(jié)省。于是，摩爾預(yù)言，未來的翻倍趨勢(shì)很快將只受兩個(gè)因素驅(qū)動(dòng)：更加微小的晶體管和更大面積的芯片。而后果便是翻倍速度將減半，元件數(shù)量從每年翻一倍減緩為每兩年翻一倍。

具有諷刺意味的是，事實(shí)證明CCD存儲(chǔ)器太容易出現(xiàn)故障，因此英特爾公司并未發(fā)布該產(chǎn)品。盡管如此，摩爾的預(yù)言卻在邏輯芯片上得到了驗(yàn)證。以微處理器為例，自20世紀(jì)70年代起，微處理器上的元件數(shù)量便一直在以每兩年翻一倍的速率增加。而帶有由完全相同的晶體管組成的大規(guī)模陣列的存儲(chǔ)芯片則增速更快一些，每隔約18個(gè)月，元件數(shù)量便會(huì)翻倍，其主要原因是這種芯片的設(shè)計(jì)更為簡單。

在摩爾確定的3個(gè)技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素中，有一個(gè)變得極為特殊：縮小晶體管的尺寸。至少在一段時(shí)間內(nèi)，縮小MOS晶體管——我們現(xiàn)在仍在使用的硅柵晶體管——的尺寸的確能夠?qū)崿F(xiàn)工程領(lǐng)域內(nèi)極少出現(xiàn)的一項(xiàng)成就：無須權(quán)衡取舍。按照以IBM工程師羅伯特?登納德（RobertDennard）命名的度規(guī)法則，后繼一代的晶體管性能總是比前一代更加優(yōu)越。晶體管尺寸的不斷縮小不僅可令一塊集成電路上容納的元件數(shù)量更多，也讓晶體管的運(yùn)行速度更快，耗電量更低。

摩爾定律之所以能夠持續(xù)有效，在很大程度上便是由這個(gè)因素單獨(dú)決定的，而且在摩爾定律演化的兩個(gè)不同時(shí)期，它一直在發(fā)揮作用。在初期，我稱之為“摩爾定律1.0”的那個(gè)階段，進(jìn)步都是通過“按比例增加”實(shí)現(xiàn)的，即在一塊芯片上增加更多的元件。最初，這樣做的目標(biāo)只是吞并既有應(yīng)用的分立元件，將它們打包成一套可靠且價(jià)格低廉的組件。其結(jié)果是芯片的面積越來越大，且越來越復(fù)雜。在20世紀(jì)70年代早期問世的微處理器就是這個(gè)階段的典型例證。

但在過去幾十年里，半導(dǎo)體行業(yè)的進(jìn)步開始由摩爾定律2.0主導(dǎo)。這個(gè)時(shí)代的主題已經(jīng)成為“按比例縮小”，即便每塊芯片上的晶體管數(shù)量不再增加，晶體管的尺寸仍在繼續(xù)縮小，成本也在不斷降低。雖然摩爾定律1.0和2.0時(shí)代略有重疊，但從半導(dǎo)體行業(yè)的自身發(fā)展情況便可以看出“按比例縮小”和“按比例增加”各自的主導(dǎo)時(shí)期。在20世紀(jì)80年代以及90年代初期，定義行業(yè)進(jìn)步的各代技術(shù)（或稱“節(jié)點(diǎn)”）是按照動(dòng)態(tài)RAM的不同系列劃分的：例如1989年時(shí)，我們是以4兆字節(jié)（MB）的DRAM為節(jié)點(diǎn)；1992年則是16MB。隨著同一塊芯片上容納的晶體管數(shù)量越來越多而成本并未增加，新一代產(chǎn)品意味著芯片的處理能力越來越強(qiáng)。

到了20世紀(jì)90年代初期，我們已經(jīng)開始根據(jù)制造晶體管的細(xì)微化特性命名我們所處的節(jié)點(diǎn)。這一切都是水到渠成的。大部分芯片并不需要容納盡可能多的晶體管。集成電路的應(yīng)用領(lǐng)域開始激增，從汽車、設(shè)備器械到玩具，簡直無所不包。在這個(gè)過程中，晶體管的大小——代表著芯片的性能和成本效率——開始成為更具意義的衡量指標(biāo)。

最終，即便是微處理器也停止了這種在加工技術(shù)允許的條件下盡可能快的增容趨勢(shì)。現(xiàn)在的加工工藝已經(jīng)允許人們以經(jīng)濟(jì)節(jié)省的方式在一塊邏輯芯片上放置一百多億個(gè)晶體管。但是目前只有少數(shù)幾款芯片在元件數(shù)量方面能夠接近這一數(shù)值，主要原因在于我們的芯片設(shè)計(jì)水平跟不上。

目前，摩爾定律1.0對(duì)于高端圖形處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列以及極少數(shù)用于超級(jí)計(jì)算機(jī)的微處理器而言仍舊有效。但在其他方面則是摩爾定律2.0占據(jù)主導(dǎo)地位。如今，摩爾定律再一次進(jìn)入了變化過程。

發(fā)生改變的原因在于微型化的優(yōu)勢(shì)正在逐漸消退。變化過程始于21世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)一個(gè)令人不快的事實(shí)正開始顯現(xiàn)。那時(shí)，晶體管的尺寸已經(jīng)縮小到100納米以下，登納德的簡單度規(guī)法則達(dá)到了極限。晶體管的尺寸已小到器件本應(yīng)關(guān)閉的時(shí)候也極易逸出電子，導(dǎo)致了能源漏損，器件可靠性下降。盡管采用新的材料和加工工藝有助于解決這一問題，但工程師們還是被迫停止采用大幅降低供給晶體管電壓的做法，以便確保電鉗足夠堅(jiān)固。

由于登納德度規(guī)法則的分崩離析，現(xiàn)在的微型化工藝充滿了各種權(quán)衡取舍。一味縮小晶體管尺寸已不再意味著更快的速度和更高效的性能。實(shí)際上，對(duì)于今天的晶體管而言，在縮小尺寸的同時(shí)想要維持其前一代產(chǎn)品的速度和耗電量都已十分困難。

因此，在過去10年左右的這段時(shí)間里，摩爾定律在更大程度上是關(guān)乎成本的闡述，而非性能；我們制造尺寸更小的晶體管只是為了降低成本。但是，這并不代表目前的微處理器不及5或10年前的同類產(chǎn)品。這些年里，產(chǎn)品設(shè)計(jì)一直在不斷進(jìn)步。但是，絕大部分性能方面的進(jìn)步還是源于更加低廉的晶體管所實(shí)現(xiàn)的多核集成。

一直以來，摩爾定律始終在強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)學(xué)方面的意義，原因就是該定律中一條非常重要但從未被廣泛認(rèn)可的內(nèi)容：隨著晶體管的尺寸越來越小，我們能夠一直將每平方厘米成品硅片的制造成本年復(fù)一年地（至少到目前為止）維持在同一水平。摩爾所定義的這一成本約為每英畝十億美元——雖然芯片制造商們幾乎從未將英畝作為芯片面積的衡量單位。

將成品硅片的成本維持幾十年不變并非易事。芯片的產(chǎn)出率一直在穩(wěn)步提升，已經(jīng)從20世紀(jì)70年的百分之二十左右提高到現(xiàn)在的百分之八九十。與此同時(shí)，硅晶片（最終被切割成芯片的圓形硅片）的尺寸也越來越大。尺寸的不斷增大降低了大部分加工步驟的成本，例如在整個(gè)硅晶片上一次性完成的沉積和刻蝕環(huán)節(jié)。而且至關(guān)重要的是，設(shè)備生產(chǎn)率也得到了迅速提升。現(xiàn)在，光刻技術(shù)（用于制作晶體管以及晶體管之間連線的排列樣式的印刷技術(shù)）所采用的工具的成本已經(jīng)是35年前的100倍。但這些工具刻蝕硅晶片圖案的速度也已經(jīng)是過去的100倍，這在抵消了成本增長的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了更佳的分辨率。

產(chǎn)出率提高、硅晶片面積變大以及設(shè)備生產(chǎn)率上升這3個(gè)因素使芯片制造商在過去幾十年里得以制造出元件排列越來越密集的芯片，同時(shí)又使單位面積的成本近乎不變，而每個(gè)晶體管的成本不斷下降。但是，這一趨勢(shì)可能會(huì)在目前終止，其主要原因就是光刻技術(shù)已變得更為昂貴。

在過去10年中，印刷細(xì)微結(jié)構(gòu)方面的困難使得成品硅片單位面積的制造成本以每年百分之十的速度遞增。由于每年每個(gè)晶體管的面積會(huì)比去年同期縮小百分之二十五左右，每個(gè)晶體管的成本仍會(huì)逐年遞減。但是，當(dāng)?shù)诌_(dá)某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，制造成本的增加速度會(huì)超過晶體管成本的下降速度，從而導(dǎo)致下一代晶體管的成本高于上代產(chǎn)品。

如果光刻技術(shù)的成本快速攀升，我們所熟知的摩爾定律一定會(huì)很快失效。而且現(xiàn)在已經(jīng)有跡象表明摩爾定律的終結(jié)將很快到來。目前的高級(jí)芯片均采用浸沒式光刻工藝制成，該工藝是將水浸的硅晶片曝露于波長為193納米的深紫外光線下進(jìn)行圖案刻蝕。按照規(guī)劃，下一代光刻工藝會(huì)采用波長更短的極紫外光。然而，這項(xiàng)本應(yīng)在2004年就投入使用的技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中卻被一拖再拖，因此芯片制造商們不得不采用一些權(quán)宜之計(jì)，例如雙重圖形光刻。所謂雙重圖形光刻就是重復(fù)進(jìn)行某些步驟以打造最為精細(xì)的元件結(jié)構(gòu)。雙重圖形光刻工藝耗費(fèi)的時(shí)間是單次圖形光刻的兩倍。盡管如此，芯片制造商們?nèi)栽诳紤]采用三重甚至四重圖形光刻，而這些做法無疑會(huì)進(jìn)一步提高制造成本。若干年后，當(dāng)我們回顧2015年時(shí)也許會(huì)將其視為轉(zhuǎn)折之年，晶體管的成本從這一年開始停止下滑，轉(zhuǎn)而節(jié)節(jié)攀升。

我因曾在光刻技術(shù)會(huì)議上大膽宣告摩爾定律即將失效而被業(yè)界熟知。然而，真正的事實(shí)卻是，我并不認(rèn)為摩爾定律會(huì)就此消亡。相反，我倒認(rèn)為這一定律即將再次發(fā)生演變。

未來，半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新將繼續(xù)下去，但這些創(chuàng)新并不會(huì)系統(tǒng)性地降低晶體管的成本。相反，半導(dǎo)體行業(yè)的進(jìn)步將以新形式的集成來定義，即將每種芯片的不同功能集成在一起，降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。這聽上去也許與摩爾定律1.0時(shí)代非常相像，但屆時(shí)我們要做的并非把不同的邏輯電路整合在一塊更大面積的芯片上，而是將長久以來都與硅晶芯片相互分離的非邏輯功能并入芯片之中。

這方面的一個(gè)早期范例便是現(xiàn)代手機(jī)的攝像頭，這種攝像頭通過直通硅晶穿孔技術(shù)將圖像傳感器直接合并在數(shù)字信號(hào)處理器中。除此之外，后續(xù)還會(huì)有其他的范例不斷涌現(xiàn)。芯片設(shè)計(jì)者才剛剛開始探索如何集成微機(jī)電系統(tǒng)，這類系統(tǒng)可用于制造袖珍加速器、陀螺儀，甚至還有繼電器邏輯電路。同樣，用來開展生物鑒定和環(huán)境測(cè)試的微流體傳感器亦能夠集成在芯片中。

所有的這些技術(shù)都能夠讓我們把一塊數(shù)字互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片與外部的模擬世界直接連接起來。如果新的傳感器和驅(qū)動(dòng)器能夠充分利用硅晶加工中極為常見的低成本大批量生產(chǎn)工藝，這將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)影響。

然而，從經(jīng)濟(jì)角度而言，這個(gè)摩爾定律再次發(fā)揮作用的新階段——我將其稱為摩爾定律3.0，而半導(dǎo)體業(yè)界則稱之為“擴(kuò)展摩爾定律”——卻可能沒什么意義。將非標(biāo)準(zhǔn)化元件集成到芯片上會(huì)催生眾多激動(dòng)人心的新產(chǎn)品和新功能，但這種做法卻沒有規(guī)律且可預(yù)測(cè)的后續(xù)成功路線圖。

未來的發(fā)展之路將會(huì)更加黯淡無光。在芯片上增加一項(xiàng)新的功能也許會(huì)讓一家公司當(dāng)即賺得盆滿缽滿，但我們無法確保再增加另外一項(xiàng)功能會(huì)讓這家公司在未來繼續(xù)盈利。鑒于未來的輸贏還是一個(gè)巨大的變數(shù)，對(duì)于一些老牌半導(dǎo)體公司而言，當(dāng)前這個(gè)過渡時(shí)期無疑是非常痛苦的。

即便如此，我還是認(rèn)為摩爾定律3.0是這條定律迄今最令人興奮的一個(gè)演繹版本。一旦拋開對(duì)可輕易量化的進(jìn)步的預(yù)期，我們便能夠迎來層出不窮的創(chuàng)意應(yīng)用，例如可以與身體無縫對(duì)接的仿生義肢、可以測(cè)試空氣或水的智能手機(jī)、能從周圍環(huán)境能源中獲得動(dòng)力的袖珍傳感器以及大量我們還想象不到的應(yīng)用。如我們所知，摩爾定律也許即將走向終結(jié)。但是，在它的基礎(chǔ)上衍生出來的種種定律將推動(dòng)我們?cè)谖磥砗荛L一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)前行。

早在幾十年前，卡弗?米德（Carver Mead）就從事于晶體管的研究工作，他是最早一批探索晶體管最小尺寸的研究者。作為長時(shí)間以來一直與戈登?摩爾并肩工作的同事，米德被廣泛譽(yù)為“摩爾定律”一詞的推廣者。米德與摩爾之間的關(guān)系可以一直追溯到1960年——5年之后，摩爾在《電子學(xué)》（Electronics）雜志上發(fā)表了那篇引發(fā)人們對(duì)晶體管變化趨勢(shì)廣泛關(guān)注的著名文章。米德與IEEE Spectrum分享了他與這位電子界的傳奇人物第一次會(huì)面時(shí)的情景。

“當(dāng)時(shí)我還是個(gè)剛?cè)温毜闹斫淌?，加入加州理工學(xué)院還不到一年。那天我正在辦公室里分析一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這家伙就大搖大擺地走了進(jìn)來，向我作起了自我介紹：‘你好，我是仙童半導(dǎo)體公司的戈登?摩爾?！泵椎麓笮χ貞浀?，“說實(shí)話，我當(dāng)時(shí)從沒聽說過戈登?摩爾這個(gè)人，但我倒是知道仙童半導(dǎo)體公司。”

“我們握了握手，接下來摩爾說他這次是到校園里來招募一些工程師，并且問我是否需要一些晶體管用于開展實(shí)驗(yàn)室教學(xué)。我說：‘那簡直再好不過了?！谑撬烷_始在手提箱上層掏來掏去，最先掏出來的居然是一只襪子或是一件臟襯衫之類的東西……我當(dāng)時(shí)有點(diǎn)吃驚地望著他。他卻扭過臉來微笑著解釋道：‘我都是輕裝簡行?！?/p>

米德繼續(xù)介紹說，摩爾接著就掏出來兩個(gè)8.5×11的大牛皮紙信封，每個(gè)信封都鼓鼓囊囊地裝滿了晶體管。其中一個(gè)信封里全部是仙童半導(dǎo)體公司最初生產(chǎn)的2N697型號(hào)的晶體管，另一個(gè)則裝著靈敏的2N706開關(guān)管。

“我從來沒見過那么多的晶體管，”米德回憶道，“當(dāng)時(shí)我整個(gè)人都驚呆了。那時(shí)學(xué)院里沒有一個(gè)人有這么多預(yù)算去購買這些晶體管用作教學(xué)。我們使用的晶體管都是堆在庫房里大約一美元一個(gè)的便宜貨。對(duì)于學(xué)生們而言，這些很有可能在第一次實(shí)驗(yàn)中就被燒毀的器件是一筆很大的開銷。而在不超出預(yù)算的情況下給學(xué)生們提供一些晶體管做研究的確是個(gè)很棒的選擇。”自打這次免費(fèi)贊助晶體管開始，兩人開啟了多年的密切合作。