神奇的预言家

八、神奇的预言家——戈登·摩尔和“摩尔定律”

在晶体管发明人、诺贝尔奖获得者肖克莱的八位“得意门生”和“天才叛徒”中，摩尔（Gordon E．Moore）并不是最显赫的一位，因为在这八人中集成电路的发明人诺伊斯、半导体平面技术的发明人霍厄尼，他们在技术创新上的成就与贡献显然比摩尔大。但是，摩尔以他对IT技术发展所作出的精确而长期有效的预测即“摩尔定律”（Moore’s law）证明了自己无与伦比的科学天才，并赢得了世人的尊敬，图2-12为戈登·摩尔。

图2-12　戈登·摩尔

摩尔1929年1月3日生于美国加利福尼亚州旧金山，其父是当地一个县的行政司法长官。念中学时，摩尔培养了对化学的兴趣，立志做一名化学家。后来他果然考上加利福尼亚大学并取得了化学学士学位（1950年），后来又到加州理工学院（CIT）深造，于1954年取得化学与物理的博士学位。学成以后，他先在霍普金斯大学从事应用物理实验室从事红外吸收和火焰分光的工作并取得一些成绩，但这些工作离工程应用较远。当时，正好肖克莱在硅谷的半导体实验室开张，急需人才，摩尔被肖克莱看中，成了“博士生产线”中的一员，后来的事就为人们所熟知了。以摩尔和诺伊斯为首的八个年轻人离开他们的恩师肖克莱创办了仙童公司，由诺伊斯任总经理，摩尔任技术部经理，后执掌研发部，在诺伊斯发明集成电路的过程中起到了十分重要的作用。作为一名物理化学家，有关集成电路的一些最初的概念和思想是由摩尔提出的，集成电路芯片制造工艺中的一些关键技术也是摩尔解决或帮助解决的。诺伊斯多次坦言，摩尔是他在发明集成电路中的主要合作者。

1959年诺伊斯和基尔比同时独立地发明集成电路以后，一方面集成电路技术本身发展十分迅速：1961年电阻耦合逻辑的集成电路RTL（Resistor Transistor Logic）和半导体二极管耦合逻辑的集成电路DTL（Diode-Transistor Logic）率先投入市场；1963年，宾夕法尼亚大学发明了晶体管耦合逻辑集成电路TTL（Transistor-Transistor Logic），摩托罗拉公司则发明了发射极耦合的ECL逻辑集成电路（Emitter-Coupled Logic），至此，双极集成电路工艺正趋成熟。与此同时，单极集成电路技术也很快发展起来。所谓单极集成电路，就是以场效应三极管为器件的金属氧化物半导体MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）集成电路。1962年，美国无线电公司（RCA）的霍夫斯坦（S．Hofstein）和海曼（F．P．Heiman）率先研制出以空穴为载流子的p沟MOS集成电路，即所谓pMOS。以后，以电子为载流子的n沟MOS即n MOS以及互补型MOS即CMOS集成电路也相继问世，它们各有所长，互相竞争，使集成电路工业呈现出一派兴旺发达和繁荣的景象。另一方面，集成电路的应用也在日新月异地发展，从助听器、电子手表、玩具、计算器直至大型电子计算机，都纷纷推出采用集成电路的新产品。1964年，IBM公司宣布其划时代的360系列计算机，更是集集成电路之大成的大手笔。在这种情况下，恰逢著名的《电子学》（Electronics）双周刊为纪念其创刊35周年而出版了一期特刊，特刊除了对电子学的发展与应用作了回顾外，还开辟了一个“专家展望未来”（The Experts Look Ahead）专栏，约请一些专家对电子学的发展做一些预测。时任仙童公司研发实验室主任的摩尔应邀写了一篇文章，题为“在集成电路中塞进更多的元件”（Cramming more components onto integrated circuits）。正是在这篇文章中，摩尔提出了他的著名的定律。摩尔认为，集成电路芯片上晶体管的数目（也就是集成度）将逐年翻番。具体而言，集成度可以表示为以2为底、幂为自然数的指数形式。如图2-13所示就是摩尔文章中所给出的预测图形。据此，摩尔明确预测，到1975年时集成电路上的元件数将达到65 000。果不其然，1975年64KB RAM芯片问世，而所谓64KB的精确值正是65536，即2¹⁶。这使摩尔预言名噪一时，并从此把它称为“摩尔定律”。

图2-13　摩尔定律的原稿，显示出晶体管密度将每年增加一倍

64KB RAM之后，集成电路的集成度未能每年翻一番，而是每两年翻一番，但仍然按几何级数规律增长。其实摩尔早已估计到了这一情况，在那篇文章中，摩尔明确指出，每年翻一番的规律将至少保持10年，就长期而言，增长率还不能肯定（见Electronics，1965年4月19日）。因此，后来摩尔修改了自己的定律，先把翻番的周期定为2年，以后又改为这两者的平均值：一年半。至今，摩尔定律已神奇地灵验了三十多年，使人们对摩尔的预见性惊叹不已。

显然摩尔本人是这个定律的最大受益者之一，因为他看准了就马上开始行动，于1968年7月与别人一起创立了Intel公司，担任执行副董事长，于1975年出任董事长和CEO，1979年4月出任董事会主席和CEO，一直到1987年，才专职董事会主席，而后则为董事会名誉主席。

摩尔定律是一个人们津津乐道的历史传奇，在摩尔作出这个预言的1965年，只能做到在单块芯片上面集成30个晶体管，而今天呢，在一个逻辑芯片上面，可以集成好几亿个晶体管，在一个存储芯片上面，还可以集成更多的晶体管。这就是摩尔定律的效果。2000年12月，在旧金山举行的国际电子设备会议上，Intel公司宣布开发出了大小仅为30nm、厚度仅为3个原子层的CMOS晶体管，再一次取得了重大技术突破。Intel公司的技术和制造部副总裁兼总经理Sunlin Chou博士指出，研究者大胆地向所谓芯片极限进行挑战，不断证明了摩尔定律的正确性。有专家指出，基于这一进展，摩尔定律的有效性可望延伸到2020年。然而，仅仅过了半年，即2001年6月9日，Intel公司又宣布他们已在实验室中研制出尺寸仅为20 nm即0.02μm的晶体管，从而使微处理器芯片有望在2007年达到10亿个晶体管 （奔腾Ⅳ只有4 200万个晶体管，1.7 GHz）。

除了对IT技术的发展作出如此精确和长期有效的预测以外，摩尔在Intel公司的经营方向和发展战略上的远见和果断决策，对Intel公司成为业界霸主起到了决定性作用。20世纪80年代，日本的半导体工业迅速崛起，尤其是它的存储器芯片猛烈地冲击了世界市场，其中也包括美国市场，Intel公司面临巨大挑战。在这种情况下，经过长达几个月的思想斗争和反复权衡，摩尔和葛鲁夫一起终于下定决心，于1985年宣布Intel公司退出存储器芯片业务，全面转向处理器生产。正是这一“以守为攻”的策略，使Intel公司从痛苦的蜕变中走向新生。

摩尔在仙童公司和英特尔公司历任要职，1989年眼看接班人葛鲁夫已经成熟，才从Intel主席的岗位上光荣退休，把责任交给了葛鲁夫，自己则有了更多的时间去从事他的业余爱好：去深海钓鲑鱼。他自认为自己只是“偶然当上了企业家”（An accidental entrepreneur）。而作为一名出色的科学家和企业家，摩尔曾经获得过许多荣誉和奖励，1976年当选为美国工程院院士，1978年同时获得AFIPS的Harry Goode奖和IEEE的McDowell奖；1979年IEEE又授予他Frederick Philips奖；1980年被IEEE命名为首批计算机先驱；1985年获得美国金属协会ASM的“促进研究奖章”（Metal for the Advancement of Research）；1986年与诺伊斯一起获得IEEE的“计算机企业家奖”（Computer Entrepreneur Award）；1988年获得美国工程院的“创始者奖”（Founders Award）；1990年布什总统亲自授予他“全美技术奖”（National Medal of Technology）。他最近获得的一个荣誉是1997年被IEEE授予的“创始者奖章”（Founders Medal）。

2001年5月24日，摩尔正式退出Intel公司董事会，因为他亲自规定董事的退休年龄是72岁，他自己也要执行。这虽然标志着一个时代的结束，但人们不会忘记这位将年收入只有2500美元的小公司变成年收入380亿美元的大企业的领头人。

在震惊全世界的“911事件”以后，关于摩尔有两个引人注目的消息，一是2001年10月28日，摩尔宣布在十年内向母校加州理工学院捐资6亿美元作为科研基金，这使CIT现有的基金总额一下子翻了一番，同时这也创下了美国私人向一所学校捐款的最高记录；二是2001年12月，白宫宣布布什总统将建立一个20人左右的总统科技顾问委员会，并宣布了第一批聘用者名单，摩尔名列其中。看来，布什总统希望利用摩尔长期管理Intel公司的成功经验，帮助美国政府改进有关技术方面的决策，以重振美国经济。

英特尔公司创始人之一戈登·摩尔以“摩尔定律”而闻名天下，四十多年里，半导体芯片的集成化趋势一如摩尔的预测，推动了整个信息技术产业的发展，进而给千家万户的生活带来了变化。事实证明，摩尔的预言是准确的。尽管这一技术进步的周期已经从最初预测的12个月延长到如今的近18个月，但“摩尔定律”依然有效。目前最先进的集成电路已含有17亿个晶体管，“摩尔定律”归纳了信息技术进步的速度。在“摩尔定律”描述的这四十多年里，计算机从神秘不可近的庞然大物变成多数人都不可或缺的工具，信息技术由实验室进入无数个普通家庭，因特网将全世界联系起来，多媒体视听设备丰富着每个人的生活，这一切背后的动力都是半导体芯片。如果按照旧有方式将晶体管、电阻和电容分别安装在电路板上，那么不仅个人电脑和移动通信不会出现，而且从基因组研究到计算机辅助设计和制造等新科技更不可能问世。

“摩尔定律”还带动了芯片产业白热化的竞争，在纪念这一定律发表40周年的集会上，作为英特尔公司名誉主席的摩尔说：“如果你期望在半导体行业处于领先地位，你无法承担落后于摩尔定律的后果。”从昔日的仙童公司到今天的英特尔、摩托罗拉、AMD公司等，半导体产业围绕“摩尔定律”的竞争真像大浪淘沙一样激烈，英特尔公司的CPU产品就严格遵循摩尔定律发展，如图2-14所示，Intel公司的微处理器产品如表2-1所示。

毫无疑问，“摩尔定律”对整个世界意义深远。在回顾四十多年来半导体芯片业的进展并展望其未来时，人们不无惊奇地看到半导体芯片制造工艺水平以一种令人目眩的速度提高，图2-15是64M存储器芯片与曲别针尺寸的比较。不需要复杂的逻辑推理就可以知道：芯片上元件的几何尺寸总不可能无限制地缩小下去，这就意味着，总有一天，芯片单位面积上可集成的元件数量会达到极限。信息技术专家们认为，随着晶体管电路逐渐接近性能极限，这一定律终将走到尽头，“摩尔定律”何时失效则众说纷纭。

图2-14　英特尔公司严格遵循的摩尔定律

表2-1　按照摩尔定律发展的Intel公司微处理器产品

美国惠普实验室研究人员斯坦·威廉姆斯说，到2010年左右，半导体晶体管可能出现问题，芯片厂商必须考虑替代产品。英特尔公司技术战略部主任保罗·加吉尼则认为，2015年左右，部分采用了纳米导线等技术的“混合型”晶体管将投入生产，五年内取代半导体晶体管。还有一些专家指出，半导体晶体管可以继续发展，直到其尺寸的极限——4～6nm之间，那可能是2023年的事情。

图2-15　64 MB DRAM尺寸

2002年11月美国《财富》杂志采访摩尔先生时，年已古稀的摩尔先生说：“开始时公司并没有把“摩尔定律”作为一个驱动力来看待，说老实话，我是直到10～15年前才启齿用“摩尔定律”来称呼它的……起初，我们仅仅是想尽快推进技术的发展，但后来发现，发展几乎总是沿着同一条曲线前进。要说我们真正地刻意按照定律推动技术朝此方向发展，那是从最近几代技术才开始的。”

这表明芯片工业一开始就比较准确地遵循着这条定律的轨迹发展着。尽管当今这一技术进步的周期更接近18个月，但“摩尔定律”依然有效。基本上，“摩尔定律”已等同于技术的创新，以及不断地创造出新的功能与使用模式。

印制电路板——cm量级

集成电路芯片——mm量级

集成电路中的晶体管——μm量级

纳米管场效应晶体管——nm量级纳

纳米操纵——原子量级（A）

图2-16 “摩尔定律”指导下的不断细微化过程

图2-16是“摩尔定律”中指导下的不断细微化过程，从图中可以看出，集成电路特征尺寸总是在摩尔定律的指引下不断缩小。那么，为什么会有这样的规律呢，不断细微化的驱动力又是什么呢？实际上，随着尺寸的不断缩小，集成电路的芯片尺寸下降，硅圆片的一次加工能得到更多的芯片，而且成品率也大大提高，使得生产厂家的成本不断下降；另一方面，尺寸的不断缩小使得集成电路性能大大提高，体现在速度增加和功耗下降上，用户能得到更好的产品。这两方面的原因使得集成电路特征尺寸总是在摩尔定律的指引下不断缩小，如表2-2所示。

表2-2　半导体发展计划（SLA 1999年版）

必须指出，摩尔定律并不是科学界或自然界的一个定律，它只是一种经验的总结，描述了由不断改进的半导体工艺所带来的一个指数级增长的独特的发展趋势。专家们预言，随着半导体晶体管的尺寸接近纳米级，不仅芯片发热等副作用逐渐显现，电子的运行也难以控制，半导体晶体管将不再可靠。“摩尔定律”肯定不会在下一个40年继续有效。不过，纳米材料、相变材料等新进展已经出现，有望应用到未来的芯片中。到那时，即使“摩尔定律”寿终正寝，信息技术前进的步伐也不会变慢。

然而，也有人从不同的角度来看问题。美国一家名叫Cyber Cash公司的总裁兼CEO丹·林启说：摩尔定律是关于人类创造力的定律，而不是物理定律。持类似观点的人也认为，“摩尔定律”实际上是关于人类信念的定律，当人们相信某件事情一定能做到时，就会努力去实现它。摩尔当初提出他的观察报告时，他实际上是给人们一种信念，使大家相信他预言的发展趋势一定会持续。