摩尔定律如何运作

半导体的发现、晶体管的发明以及集成电路的诞生，使摩尔定律（以及现代电子产品）成为可能。在晶体管发明之前，电子产品中最广泛使用的元件是真空管。电气工程师使用真空管来放大电信号。但真空管容易损坏，并且会产生大量热量。

20世纪30年代，贝尔实验室开始寻找真空管的替代品，以稳定和加强日益增长的国家电话网络。1945年，实验室致力于寻找利用半导体的方法。半导体是一种既可以充当导体又可以充当绝缘体的材料。导体是允许电子流动的材料——它们导电。绝缘体具有抑制电子流动的原子结构。半导体则两者皆可。

控制电子流动是电子产品运作的关键。寻找利用半导体独特性质的方法成为贝尔实验室的首要任务。1947年，约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿制造出第一个可工作的晶体管。晶体管是一种旨在控制电子流动的设备——它有一个栅极，当关闭时，会阻止电子流过晶体管。这个基本思想是几乎所有电子产品工作的基础。

早期的晶体管与当今制造商生产的晶体管相比是巨大的。第一个晶体管高半英寸（1.3厘米）。但一旦工程师学会如何制造一个可工作的晶体管，更好的、更小的晶体管的竞赛就开始了。在最初的几年里，晶体管只存在于科学实验室中，工程师们不断改进设计。

1958年，杰克·基尔比对电子世界做出了下一个巨大贡献：集成电路。早期的电路由一系列独立的元件组成。电气工程师会构建每个元件，然后将它们连接到一个称为基底的底层上。基尔比尝试用一块半导体材料构建电路，并在其顶部覆盖连接不同电路部分所需的金属部件。结果就是集成电路。

下一个重大发展是平面晶体管。要制造平面晶体管，元件直接蚀刻到半导体基底上。这使得基底的某些部分比其他部分高。然后将蒸发的金属薄膜涂敷到基底上。薄膜附着在半导体材料的凸起部分，用金属将其覆盖。金属在不同元件之间形成连接，允许电子从一个元件流向另一个元件。这几乎就像将电路直接打印到半导体晶圆上一样。

物理学家让·霍尔尼于1959年开发了制造平面晶体管的技术。到1961年，一家名为仙童半导体（Fairchild Semiconductor）的公司生产出第一个平面集成电路。从那时起，技术迅速发展。物理学家和工程师们找到了新的、更有效的方法来制造集成电路。他们改进了制造工艺，使元件更小、更紧凑。这意味着他们可以在单个半导体晶圆上容纳比前几代技术更多的晶体管。

在此期间，仙童公司的研发总监是戈登·摩尔。《电子学》杂志请摩尔预测未来十年电子领域的发展。摩尔写了一篇题为“在集成电路中塞入更多元件”的文章。该杂志于1965年4月19日发表了这篇文章。

摩尔的预测基于集成电路问世以来该行业的快速发展。他看到，随着技术改进和电路元件的缩小，生产单个元件的价格随之下降。半导体公司有动力改进其生产技术——因为新的电路不仅更强大，而且单个元件也更具成本效益。只要这种关系保持不变，摩尔说这种趋势就会继续下去。

但摩尔也提出了一个警告：随着电路变得越来越复杂，生产整个电路的成本就会上升。因此，虽然单个元件的生产成本很低，但真正复杂的电路开发成本更高。随着技术的改进，创建复杂电路的成本会降低。每个元件的成本和每个电路的成本对行业产生了平衡效应，并导致了对数线性演变趋势。

摩尔还指出，在12个月内，直径1英寸（2.5厘米）的半导体晶圆上的元件数量翻了一番。摩尔将此归因于两个主要趋势：公司正在寻找制造更小元件的方法，并且他们越来越擅长安排元件以节省晶圆空间。

摩尔通过观察这些数据推断了他对未来10年的预测。在文章发表时，摩尔表示电路上的最佳元件数量是50个。他预计到1975年，这个数字将接近65,000个。这一预测得到了验证——到1975年，集成电路已拥有近65,000个元件。

​1975年，摩尔为电气和电子工程师协会（IEEE）国际电子设备会议撰写了一篇论文。他将论文命名为“数字集成电子学的进展”。摩尔承认他对电路技术进步速度的预测已证实属实，并讨论了这一趋势持续的可能性。

摩尔指出，随着技术的改进，缺陷的可能性降低了。这意味着电路制造商可以使用更大的晶圆，并从每片晶圆上生产更多的芯片。生产持续变得更高效，这反过来又推动了创新，以创造更小的元件。

摩尔表示，他十年前预测的趋势将以相同的速度至少再持续几年。但摩尔也表示，他相信半导体行业正在接近某些技术的极限，例如节省电路上空间的技术。他将这个因素称为“电路的精巧度”。他认为我们会达到元件排列精巧程度的极限——最终我们将实现空间的最佳利用。一旦这个因素从等式中移除，进步的速度就必须放缓。他说他相信几年后，元件数量将每24个月才翻一番。

尽管摩尔最初的观察侧重于技术进步和电路生产背后的经济学，但许多人将他的观察简化为我们所称的摩尔定律。摩尔定律最常见的版本是：电路上的晶体管数量每18（或24）个月翻一番。令人瞩目的是，这个预测一直保持真实——如今，英特尔的酷睿i7微处理器拥有7.31亿个晶体管，而其至强处理器拥有19亿个晶体管[来源：Intel]。

将更多元件塞进集成电路，不仅意味着设备变得更强大，也意味着它们变得更小。紧凑集成电路上的微小元件为各种便携式电子设备提供动力。即使是今天一个小小的微处理器芯片，也和几年前一个全尺寸芯片一样强大。电路生产的进步使得智能手机和上网本等设备成为可能。

为什么摩尔的观察和预测在过去的几十年里一直保持真实？摩尔定律根本就不是一个真正的定律——事实上，它背后没有根本的物理定律。摩尔定律之所以成立，完全是因为人类的行为。但是，即使制造更强大电路的挑战越来越大，又是什么让这个循环持续下去呢？

很大一部分原因是心理上的，并且受市场驱动。制造集成电路的公司彼此竞争，每个人都知道摩尔定律。这意味着每个公司高管都牢记这一点：如果我们的公司不能在18个月内将电路的性能翻倍，其他公司就会抢先一步。

由于公司不希望给竞争对手任何优势，它们投入大量资金进行研发（R&D）。这些研发部门致力于开发新技术，以创建更小的元件，并以最大化其性能的方式进行排列。维持研究循环需要大量资金，但这项成本与竞争对手站稳脚跟并主导市场的威胁相平衡。

另一个因素是克服挑战的简单愿望。多年来，许多人预测过摩尔定律的终结。有些人认为它会在20世纪80年代结束。另一些人在90年代中期也说过同样的话。似乎工程师们最终会遇到一个根本无法突破的障碍。但工程师们总能设法找到解决方案，使摩尔定律得以延续。

消费者也在推动摩尔定律。电子产品的快速发展在消费者中产生了某种期待。每年，更快、更先进的电子产品都会上市。从消费者的角度来看，没有理由不期待明年会有更好的产品。

如今，集成电路上的晶体管已达到如此微小的尺寸，以至于将2000多个晶体管堆叠在一起才能与一根头发的厚度相当。英特尔最新芯片上的晶体管宽度仅为45纳米——而人类头发的平均厚度约为100,000纳米[来源：国家纳米技术倡议]。

制造如此微小的晶体管是一项惊人的成就。可见光的波长范围在400-700纳米之间。传统光学显微镜的镜头只能聚焦于可见光波长一半或更大尺寸的物体。你必须依靠扫描电子显微镜等特殊设备才能在如此小的尺度上创建图像。

处理如此微小的设备时，你必须考虑一件事：当你接近纳米尺度时，你就离开了经典物理学世界，进入了量子力学领域。量子世界的物理学规则与宏观世界的工作方式截然不同。例如，电子等量子粒子即使没有突破屏障所需的动能，也能穿过极薄的壁。量子物理学家称这种现象为量子隧穿。

由于电子产品的工作依赖于控制电子的流动，量子隧穿等问题会带来严重的挑战。这些问题迫使电气工程师重新评估他们设计电路的方式。在某些情况下，改用不同的材料可以解决问题。在另一些情况下，找到一种全新的电路构建方法可能会奏效。

甚至有可能有人会提出一个革命性的想法，使晶体管和集成电路过时。虽然这听起来可能有些牵强，但事实是，尽管许多科技专家和工程师宣称摩尔定律已走到尽头，但电路制造商仍在寻找方法使其继续下去。事实证明，这些挑战可能并不像某些人认为的那样不可能。

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甚至连戈登·摩尔也曾质疑，过去四十年来创新和生产的疯狂速度还能持续多久。他还对英特尔等公司能够找到新方法来解决最初看起来无法逾越的问题感到惊叹。摩尔定律会终结吗？

答案是肯定的，但很难确定它何时会发生。一方面，我们可能会遇到一个技术障碍，阻止工程师找到制造更小元件的方法。但即使我们没有遇到技术障碍，经济因素也可能介入。如果生产带有更小晶体管的电路不具有经济可行性，那么就没有理由继续深入开发。或者我们可能会触及物理学的基本定律——例如光速。

预测这些障碍中的一个或多个何时会停止进展的具体日期的问题在于，我们必须基于今天所知。但工程师每天都在学习设计、建造和生产电路的新方法。我们明天所了解的知识，可能会让今天看似不可能的事情变得完全可以实现。

摩尔定律今天是否仍然具有现实意义？个人电脑时代一直被这样一种观念主导：消费者需要市场上最新、最强大的机器。但今天，有些人正在质疑这种理念。部分原因是消费者行为的变化——许多电脑用户将电脑用于简单的任务，例如浏览网页或发送电子邮件。这些应用程序对电脑硬件没有很高的要求。

强大个人电脑不再那么必要的另一个原因是云计算的普及。云计算将处理和存储数据的负担转移到计算机网络上。用户可以通过互联网访问应用程序和信息，因此他们不一定需要自己的强大机器来利用云计算。

因此，智能手机和上网本等设备正变得越来越受欢迎。这些设备不具备最新台式机和笔记本电脑那样的原始处理能力。但它们仍然允许用户访问他们所需的应用程序和数据。

如果消费者继续购买智能手机和上网本等设备，微处理器制造商满足摩尔定律期望的动力就会减弱。如果超强处理器没有市场，那么我们就触及了可能结束这一周期的经济障碍。

话虽如此，一些机构可能仍会突破集成电路生产的极限。尽管普通消费者可能看不到强大个人电脑的价值，但研究机构仍然依赖于生产中最快的处理器。更强大的微处理器可以帮助从天气预报到宇宙学研究的一切领域。

从摩尔定律和半导体行业中，我们可以得出一个教训，那就是纯粹的研究可以为社会带来有益的结果。贝尔实验室的工程师们无法保证他们对早期晶体管模型的实验工作会产生积极成果。但他们的研究和辛勤工作催生了一个改变我们生活方式的行业。这是一个很好的例子，说明科学研究即使没有明显或直接的好处，也能对我们的生活产生巨大的影响。

也许我们能从摩尔定律中汲取的最重要教训是，我们不应该过快地说某事是不可能的。1843年美国专利局局长亨利·L·埃尔斯沃思曾说：“艺术的年年进步，考验着我们的轻信，似乎预示着人类进步终结的时代的到来”[来源：Sass]。埃尔斯沃思指出，人类的创造力和创新速度令人印象深刻，难以置信。他并非如某些人所暗示的那样，认为所有可以发明的东西都已经发明了。事实上，自那时以来，创新的速度只增不减。

尽管我们对电子产品的制造了解很多，但仍有许多我们未知之处。摩尔定律为富有创造力的工程师提供了激励。他们不想让戈登·摩尔失望，即使这意味着他们必须为看似不可能的问题找到独特的解决方案。

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