什么是摩爾定律

摩爾定律是著名芯片制造廠商美國因特爾公司（Intel）創(chuàng)始人之一的戈頓?摩爾對集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢做出的推斷。它描述了特定時期，特定技術(shù)及其相關(guān)應(yīng)用的性能或價格以18個月為周期的一種增長或下降規(guī)律。摩爾定律主要有三種不同的表述：

（1）集成電路芯片上所集成的電路數(shù)目，每隔18個月翻一番；

（2）微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降50%；

（3）用一個美元所能買到的電腦性能，每隔18個月翻兩番。

摩爾定律發(fā)現(xiàn)

計算機第一定律——摩爾定律Moore定律1965年，戈登〃摩爾（GordonMoore）準(zhǔn)備一個關(guān)于計算機存儲器發(fā)展趨勢的報告。他整理了一份觀察資料。在他開始繪制數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)了一個驚人的趨勢。每個新芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個芯片的產(chǎn)生都是在前一個芯片產(chǎn)生后的18-24個月內(nèi)。如果這個趨勢繼續(xù)的話，計算能力相對于時間周期將呈指數(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)這不光適用于對存儲器芯片的描述，也精確地說明了處理機能力和磁盤驅(qū)動器存儲容量的發(fā)展。該定律成為許多工業(yè)對于性能預(yù)測的基礎(chǔ)。在26年的時間里，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個增加到奔騰II處理器的750萬個。

摩爾定律由來

“摩爾定律”的創(chuàng)始人是戈登〃摩爾，大名鼎鼎的芯片制造廠商Intel公司的創(chuàng)始人之一。20世紀(jì)50年代末至60年代初半導(dǎo)體制造工業(yè)的高速發(fā)展，導(dǎo)致了“摩爾定律”的出臺。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?。因此平面工藝被認為是“整個半導(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，時任仙童半導(dǎo)體公司研究開發(fā)實驗室主任的摩爾應(yīng)邀為《電子學(xué)》雜志35周年?？瘜懥艘黄^察評論報告，題目是：“讓集成電路填滿更多的元件”。摩爾應(yīng)這家雜志的要求對未來十年間半導(dǎo)體元件工業(yè)的發(fā)展趨勢作出預(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個元件。他是根據(jù)器件的復(fù)雜性（電路密度提高而價格降低）和時間之間的線性關(guān)系作出這一推斷的，他的原話是這樣說的：“最低元件價格下的復(fù)雜性每年大約增加一倍。可以確信，短期內(nèi)這一增長率會繼續(xù)保持。即便不是有所加快的話。而在更長時期內(nèi)的增長率應(yīng)是略有波動，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”的應(yīng)用

2005年是英特爾公司創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出著名的“摩爾定律”40周年。40年中，半導(dǎo)體芯片的集成化趨勢一如摩爾的預(yù)測，推動了整個信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進而給千家萬戶的生活帶來變化。

1965年4月，當(dāng)時還是仙童公司電子工程師的摩爾在《電子學(xué)》雜志上發(fā)表文章預(yù)言，半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年翻一番。1975年他又提出修正說，芯片上集成的晶體管數(shù)量將每兩年翻一番。

當(dāng)時，集成電路問世才6年。摩爾的實驗室也只能將50只晶體管和電阻集成在一個芯片上。摩爾當(dāng)時的預(yù)測聽起來好像是科幻小說；此后也不斷有技術(shù)專家認為芯片集成的速度“已經(jīng)到頂”。但事實證明，摩爾的預(yù)言是準(zhǔn)確的。盡管這一技術(shù)進步的周期已經(jīng)從最初預(yù)測的12個月延長到如今的近18個月，但“摩爾定律”依然有效。目前最先進的集成電路已含有17億個晶體管。

“摩爾定律”歸納了信息技術(shù)進步的速度。這40年里，計算機從神秘不可近的龐然大物變成多數(shù)人都不可或缺的工具，信息技術(shù)由實驗室進入無數(shù)個普通家庭，因特網(wǎng)將全世界聯(lián)系起來，多媒體視聽設(shè)備豐富著每個人的生活。

這一切背后的動力都是半導(dǎo)體芯片。如果按照舊有方式將晶體管、電阻和電容分別安裝在電路板上，那么不僅個人電腦和移動通信不會出現(xiàn)，基因組研究到計算機輔助設(shè)計和制造等新科技更不可能問世。

“摩爾定律”還帶動了芯片產(chǎn)業(yè)白熱化的競爭。在紀(jì)念這一定律發(fā)表40周年之時，作為英特爾公司名譽主席的摩爾說：“如果你期望在半導(dǎo)體行業(yè)處于領(lǐng)先地位，你無法承擔(dān)落后于摩爾定律的后果?！睆奈羧盏南赏镜浇裉斓挠⑻貭?、摩托羅拉、先進微設(shè)備公司等，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)圍繞“摩爾定律”的競爭像大浪淘沙一樣激烈。

毫無疑問，“摩爾定律”對整個世界意義深遠。在回顧40年來半導(dǎo)體芯片業(yè)的進展并展望其未來時，信息技術(shù)專家們說，在今后幾年里，“摩爾定律”可能還會適用。但隨著晶體管電路逐漸接近性能極限，這一定律終將走到盡頭?！澳柖伞焙螘r失效？專家們對此眾說紛紜。

美國惠普實驗室研究人員斯坦·威廉姆斯說，到2010年左右，半導(dǎo)體晶體管可能出現(xiàn)問題，芯片廠商必須考慮替代產(chǎn)品。英特爾公司技術(shù)戰(zhàn)略部主任保羅·加吉尼則認為，2015年左右，部分采用了納米導(dǎo)線等技術(shù)的“混合型”晶體管將投入生產(chǎn)，5年內(nèi)取代半導(dǎo)體晶體管。還有一些專家指出，半導(dǎo)體晶體管可以繼續(xù)發(fā)展，直到其尺寸的極限——4到6納米之間，那可能是2023年的事情。

專家們預(yù)言，隨著半導(dǎo)體晶體管的尺寸接近納米級，不僅芯片發(fā)熱等副作用逐漸顯現(xiàn)，電子的運行也難以控制，半導(dǎo)體晶體管將不再可靠。“摩爾定律”肯定不會在下一個40年繼續(xù)有效。不過，納米材料、相變材料等新進展已經(jīng)出現(xiàn)，有望應(yīng)用到未來的芯片中。到那時，即使“摩爾定律”壽終正寢，信息技術(shù)前進的步伐也不會變慢。

摩爾定律的重要性

要想了解摩爾法則對社會做了什么貢獻，只要想一想，如果1965年英特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登？摩爾沒有提出那句著名的論斷，世界將會變成什么樣，就知道了。

人類文化學(xué)家Genevieve Bell說，“這簡直不可思議。”

德州儀器公司的處理器產(chǎn)品市場總監(jiān)Adrian Valenzuela說，“它的意義如此深遠，我?guī)缀鯚o法用語言形容?！?加州大學(xué)伯克利分校的電子工程與計算機科學(xué)專業(yè)教授Jeff Bokor則說，“它帶來了翻天覆地的變化。”

這些評價一點也不夸張；它們恰如其分地強調(diào)了，一個論斷會給世界帶來多么大的影響。摩爾法則是計算機處理器（也就是芯片）制造的指南。它為定期的創(chuàng)新提供了方向，是推動這個行業(yè)發(fā)展的自驗預(yù)言。

你很高興iPhone 6如此輕便吧？那你可要感謝摩爾法則。

首先，讓我們考察一下摩爾法則在歷史上的效果，并澄清一些錯誤的概念。最重要的是，摩爾法則并不是像牛頓運動三定律那樣的法則。在1965年發(fā)表的一篇題為《在集成電路中加入更多元件》的文章中，學(xué)習(xí)化學(xué)和物理的摩爾預(yù)測，在一個集成電路——計算機的大腦——中能夠集成的元件數(shù)量將每年增加一倍，從而大大提升計算機的性能。 10年后，他修正了他的預(yù)測，改為每兩年增加一倍。

這個預(yù)言一開始并沒有獲得技術(shù)界的廣泛認可，直到加州理工學(xué)院的教授Carver Mead在1975年提出了“摩爾法則”這個說法。在50年的時間里，這個法則成了整個行業(yè)立志要實現(xiàn)的目標(biāo)——而且也確實被實現(xiàn)了。

一個自驗性的預(yù)言

摩爾法則針對的是晶體管，它能夠控制電信號的開關(guān)，從而使設(shè)備可以處理信息和完成任務(wù)。晶體管就像是構(gòu)成大腦的磚塊，存在于智能手機、平板電腦和所有的數(shù)字設(shè)備之中。

一個芯片中集成的晶體管越多，這塊芯片處理信息的速度就越快。 為了實現(xiàn)摩爾法則，芯片制造商不得不努力縮小晶體管的體積，以便能夠?qū)⒏嗟木w管集成在一起。最初的晶體管有半英寸長。而今天最新的芯片中包含的晶體管比一個病毒還小，幾乎小到了無法想象的地步。

包括英特爾和三星在內(nèi)的芯片制造商都在努力將芯片做得更小。

但是說到摩爾法則，體積的大小還不是最重要的。更重要的是設(shè)備會隨著時間的推移變得更好、更智能這樣的想法。

這個法則使設(shè)備變得更小，而同時性能卻極大的提高了。為現(xiàn)代福特汽車的導(dǎo)航系統(tǒng)使用的是德州儀器公司生產(chǎn)的處理器，它的性能幾乎是1969年幫助探月宇航員導(dǎo)航的計算機的180萬倍。 蘋果公司的iPhone 6手機的性能幾乎是1975年生產(chǎn)的IBM計算機的100萬倍，而后者是足可以占據(jù)整個房間的龐然大物。iPhone最開始的定價是650美元，而10年前一臺臺式電腦的售價就要在1000美元到4000美元之間，而且性能還相差甚遠。

摩爾法則最關(guān)鍵的地方是時間因素：每兩年，集中電路中能容納的晶體管數(shù)量就要增加一倍，這意味著整個技術(shù)行業(yè)——從電子消費品制造商，到制造芯片生產(chǎn)設(shè)備的廠商，以及中間的每一個環(huán)節(jié)——都保持著同樣的進步速度。 Bell說，“摩爾法則創(chuàng)造了一個節(jié)拍器。”

摩爾法則設(shè)定了一個所有的公司都必須跟上的節(jié)奏，否則就要被甩在后面。摩爾說，“摩爾法則不是記載了行業(yè)的進步，而是推動了行業(yè)的進步?！?雖然他不認為這個法則會永遠正確，但是芯片制造商似乎并沒有放慢進步的速度。加州大學(xué)伯克利分校的微電子學(xué)教授Tsu-Jae King Liu說，“這是一個自驗性的預(yù)言，所以它對于整個行業(yè)來說，就像一個法則一樣?！?/p>

沒有摩爾定律的生活

現(xiàn)在，每個人都認為，技術(shù)肯定會越來越發(fā)達，越來越快捷，越來越便宜。如果我們現(xiàn)在還沒有性能足夠強大的處理器來驅(qū)動無人駕駛汽車，再過一兩年肯定就會有的。

如果沒有摩爾法則，這樣想當(dāng)然的假設(shè)就不會實現(xiàn)了。如果沒有一個統(tǒng)一的力量推動行業(yè)的進步，集成電路和元件可能還停留在幾十年前的狀態(tài)。

Valenzuela說，“這是一條指數(shù)曲線，如果沒有摩爾定律，我們可能還處在這條曲線離起點不遠的地方。我現(xiàn)在很高興不需要再使用20世紀(jì)80年代那樣的手機了?！?/p>

英特爾公司的Bell想象的則是一個更加可怕的沒有集成電路的世界，所有的東西都是機械化的，智能手機甚至現(xiàn)代電話服務(wù)都不存在。她說，“互聯(lián)網(wǎng)是根本不可能出現(xiàn)的。”

摩爾定律的意義

“摩爾定律”歸納了信息技術(shù)進步的速度。在摩爾定律應(yīng)用的40多年里，計算機從神秘不可近的龐然大物變成多數(shù)人都不可或缺的工具，信息技術(shù)由實驗室進入無數(shù)個普通家庭，因特網(wǎng)將全世界聯(lián)系起來，多媒體視聽設(shè)備豐富著每個人的生活。

由于高純硅的獨特性，集成度越高，晶體管的價格越便宜，這樣也就引出了摩爾定律的經(jīng)濟學(xué)效益。在20世紀(jì)60年代初，一個晶體管要10美元左右，但隨著晶體管越來越小，直到小到一根頭發(fā)絲上可以放1000個晶體管時，每個晶體管的價格只有千分之一美分。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，按運算10萬次乘法的價格算，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”對整個世界意義深遠。在回顧40多年來半導(dǎo)體芯片業(yè)的進展并展望其未來時，信息技術(shù)專家們認為，在以后“摩爾定律”可能還會適用。但隨著晶體管電路逐漸接近性能極限，這一定律終將走到盡頭。40多年中，半導(dǎo)體芯片的集成化趨勢一如摩爾的預(yù)測，推動了整個信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進而給千家萬戶的生活帶來變化。

摩爾定律前景

摩爾定律問世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的微處理器芯片Pentium 4的主頻已高達2G（即1 2000M），2011年則要推出含有10億個晶體管、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)量會達到極限。問題只是這一極限是多少，以及何時達到這一極限。業(yè)界已有專家預(yù)計，芯片性能的增長速度將在今后幾年趨緩。一般認為，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。

從技術(shù)的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯率也將呈指數(shù)增長，同時也使全面而徹底的芯片測試幾乎成為不可能。一旦芯片上線條的寬度達到納米（10-9米）數(shù)量級時，相當(dāng)于只有幾個分子的大小，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。

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”。持類似觀點的人也認為，摩爾定律實際上是關(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，就會努力去實現(xiàn)它。摩爾當(dāng)初提出他的觀察報告時，他實際上是給了人們一種信念，使大家相信他預(yù)言的發(fā)展趨勢一定會持續(xù)。

摩爾定律是由英特爾公司名譽董事長戈登·摩爾經(jīng)過長期觀察發(fā)現(xiàn)得出的結(jié)論，一開始被用于描述半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的一種現(xiàn)象，即指集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。后來，摩爾定律被引入到其他高科技行業(yè)，用來形容技術(shù)快速發(fā)展帶來的性能提高。

在光纖通信行業(yè)，密集波分復(fù)用技術(shù)（DWDM）曾經(jīng)很好地詮釋了摩爾定律。DWDM是一種關(guān)鍵的基礎(chǔ)性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過在一根光纖內(nèi)傳送多路平行的吉比特光信號，使帶寬成本大幅降低，從而讓寬帶互聯(lián)網(wǎng)得以普及。該技術(shù)還擁有傳輸距離遠、延遲低的優(yōu)點。隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸量迅速增長，電信運營商希望能以更低的單位成本傳送更多的信息，因此，DWDM在固定通信基礎(chǔ)設(shè)施中的地位得以鞏固并不斷加強。從2003年到2007年，運營商在DWDM技術(shù)上的花費增長了將近兩倍，2007年，全球在該技術(shù)設(shè)備上的支出達到58億美元。

在過去的10年中，著名咨詢機構(gòu)Ovum公司使用一個網(wǎng)絡(luò)帶寬資本支出（capex）的計量公式，計算每秒鐘在一公里長的距離內(nèi)傳輸1GB信息量所需的成本。電信運營商一開始在每根語音線路上實現(xiàn)了64kbps的傳輸速率，后來每位用戶使用成千上萬兆的信息后，語音線路不堪重負，好在光纖技術(shù)出現(xiàn)了。設(shè)備供應(yīng)商之間的競爭使得傳輸成本急劇下跌，1993年，DWDM技術(shù)出現(xiàn)前，每秒鐘在一公里長的距離內(nèi)傳輸1GB信息量的成本為2000美元，到2007年，該數(shù)字已經(jīng)不足1美元，其發(fā)展速度已令摩爾定律失色。 DWDM技術(shù)從正式部署到今天已經(jīng)有13年歷史，但是，它目前卻好像停止了曾經(jīng)在電信發(fā)展史上創(chuàng)造過奇跡的指數(shù)級增長，步入了青春期的消沉。分析師指出，如果下一個5年內(nèi)整個系統(tǒng)不出現(xiàn)指數(shù)級的擴張，那么DWDM的幾何式增長也將難以維系。難道在光纖通信市場，摩爾定律的影響終結(jié)了嗎？ 在過去的歲月中，DWDM的成功依賴于多樣化的創(chuàng)新，例如光纖放大器和光分插復(fù)用器（OADM）等，還包括激光、測波器、過濾器等多種技術(shù)的進步以及各種系統(tǒng)軟件的創(chuàng)新，他們都讓系統(tǒng)獲得了更高的容量，并提高了運營的靈活性。

殘酷的競爭使得10G網(wǎng)絡(luò)的成本不斷降低，也迫使DWDM在13年里不斷提高成本表現(xiàn)，盡管在此期間光纖系統(tǒng)的研發(fā)投資和元器件創(chuàng)新的投資都相對較低。同時，本世紀(jì)開始幾年中，電信行業(yè)泡沫的破裂導(dǎo)致主要市場的支出銳減，整個行業(yè)都在療傷。那段時間內(nèi)對研發(fā)投資的削減帶來的后果是：更具成本效益的40G技術(shù)的部署和商用被推遲了。

不過，市場最終還是選擇了40G技術(shù)。最有可能在近期實現(xiàn)傳輸成本效益的指數(shù)級增長的就是40G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)提供的帶寬是現(xiàn)有10G網(wǎng)絡(luò)的4倍，而capex卻只有四分之一，性能表現(xiàn)也絲毫不遜色。雖然Ovum咨詢公司認為這種規(guī)模的成本削減在2012年前不太可能實現(xiàn)，但鑒于過去幾年中對該項技術(shù)的投資劇增，奇跡還是有可能出現(xiàn)的。

2008年已經(jīng)推出和即將推出的40G技術(shù)創(chuàng)新包括：北電網(wǎng)絡(luò)研發(fā)的技術(shù)，提供了目前市場上最佳的性能，并有著向100G技術(shù)演進的清晰路線；Opvista技術(shù)，對推動40G技術(shù)在城域網(wǎng)中的使用有明顯的優(yōu)勢；由Stratalight、Mintera和其他公司共同研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化40G模塊技術(shù)也取得了進展。光纖技術(shù)供應(yīng)商Infinera公司也在努力通過40G技術(shù)創(chuàng)新解決成本、容量和傳輸距離之間的矛盾，預(yù)計將在今年晚些時候或明年發(fā)布新技術(shù)。

同時，網(wǎng)絡(luò)運營商和設(shè)備供應(yīng)商還將推動100G技術(shù)的創(chuàng)新，從而將延續(xù)DWDM的成功，并滿足全球用戶對通信服務(wù)越來越多的渴望。