摩尔已逝，摩尔定律会终结吗？

原创 DT半导体材料 2023-03-27 21:03 503浏览 0评论 0点赞

时代最伟大的人之一——戈登摩尔去世了，享年94岁。

戈登·摩尔（1929年1月3日-2023年3月24日）

戈登摩尔作为英特尔的三位联合创始人之一，出生于1929年，美国旧金山佩斯卡迪诺，是这个时代最著名的科学家，企业家，IT行业的神。毫不夸张的说，摩尔定义了一个时代。在半导体行业发展的这几十年，“摩尔定律”估计是被提及次数最多的一个词，没有之一。无论是产品发布，还是行业峰会、技术研讨会之类。

什么是摩尔定律？

到底什么是“摩尔定律”？归纳起来，主要有以下三种版本：

1、集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。

2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一倍。

3、用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。

以上几种说法中，以第一种说法最为普遍，第二、三两种说法涉及到价格因素，其实质是一样的。三种说法虽然各有千秋，但在一点上是共同的，即'翻番'的周期都是18个月，至于'翻一番'（或两番）的是'集成电路芯片上所集成的电路的数目'，是整个'计算机的性能'，还是'一个美元所能买到的性能'就见仁见智了。

摩尔定律的由来

摩尔定律“始作俑者”便是戈顿·摩尔，大名鼎鼎的芯片制造厂商Intel公司的创始人之一。

20世纪50年代末至用年代初半导体制造工业的高速发展，导致了“摩尔定律”的出台。早在1959年，美国著名半导体厂商仙童公司首先推出了平面型晶体管，紧接着于1961年又推出了平面型集成电路。这种平面型制造工艺是在研磨得很平的硅片上，采用一种所谓'光刻'技术来形成半导体电路的元器件，如二极管、三极管、电阻和电容等。只要'光刻'的精度不断提高，元器件的密度也会相应提高，从而具有极大的发展潜力。因此平面工艺被认为是'整个半导体工业键'，也是摩尔定律问世的技术基础。

1965年，还是仙童半导体研发总监的Gordon Moore——也就是后来Intel的创始人之一，受邀《Electronics》杂志写了篇比较短的paper，主要内容是就未来10+年的半导体产业趋势预测的。这篇文章在Intel官网现在也仍然能看得到，题为Cramming more components onto integrated circuits（把更多器件塞进集成电路）。摩尔应这家杂志的要求对未来十年间半导体元件工业的发展趋势作出预言。据他推算，到1975年，在面积仅为四分之一平方英寸的单块硅芯片上，将有可能密集65000个元件。他是根据器件的复杂性（电路密度提高而价格降低）和时间之间的线性关系作出这一推断的，他的原话是这样说的：'最低元件价格下的理杂性每年大约增加一倍。可以确信，短期内这一增长率会继续保持。即便不是有所加快的话。而在更长时期内的增长率应是略有波动，尽管役有充分的理由来证明，这一增长率至少在未来十年内几乎维持为一个常数。'这就是后来被人称为'摩尔定律'的最初原型。有关“摩尔定律”的全貌，也都可以从这篇原始文章里得到解答。

“摩尔定律”的修正

1975年；摩尔在国际电信联盟IEEE的学术年会上提交了一篇论文，根据当时的实际情况，对'密度每年回一番'的增长率进行了重新审定和修正。他预测大约到1980年半导体复杂度每年还会持续以两倍速度提升，而在此之后会渐渐缩减到每两年两倍速的程度。其实在此之前“摩尔定律”这个词都还没有真正流行。很快，加州理工学院教授Carver Mead对“摩尔定律（Moore's law）”这个词做了推广，然后摩尔定律就在半导体行业开始全面风靡——Intel的竞争对手为了宣传自家产品在性能上的提升也开始频繁引用“摩尔定律”一词。

Gordon Moore本人后续在很多场合接受过不少媒体采访，都被问到了“摩尔定律”。有一回他本人玩笑说：“摩尔定律其实是违反了墨菲定律的。”毕竟墨菲定律是说事情总会往更糟的方向发展。我们现在当然知道，摩尔定律被推而广之地作为IC芯片之上晶体管数量增长速度的一个现象表达，属于某种趋势的观察和推论，而不是什么自然界的物理法则。

早在2005年4月，Gordon Moore就在某次采访中回复说这个“定律”无法无限持续。当时他也提到了晶体管最终会在原子级别达到某种最小化的限制：“从（晶体管）尺寸来看，你会发现我们已经接近原子级别的尺寸，这会成为根本性障碍。不过在遇到障碍之前，至少还会要2、3代，但是我们能够看得到的未来。在遭遇这一根本性限制之前，我们还有10-20年。

"摩尔定律"的验证

摩尔定律到底准不准？让我们先来看几个具体的数据。

1975年，在一种新出现的电荷前荷器件存储器芯片中，确实含有将近65000个元件，与十年前摩尔的预言的确惊人地一致！另据Intel公司公布的统计结果，单个芯片上的晶体管数目，从1971年4004处理器上的2300个，增长到1997年Pentium II处理器上的7.5百万个，26年内增加了3200倍。

对此进行一个简单的验证：如果按摩尔本人'每两年翻一番'的预测，26年中应包括13个翻番周期，每经过一个周期，芯片上集成的元件数应提高2n倍（0≤n≤12），因此到第13个周期即26年后元件数应提高了212＝4096倍，作为一种发展趋势的预测，这与实际的增长倍数3200倍可以算是相当接近了。如果以其他人所说的18个月为翻番周期，则二者相去甚远。可见从长远来看，还是摩尔本人的说法更加接近实际。

也有人从个人计算机（即PC）的三大要素--微处理器芯片、半导体存储器和系统软件来考察摩尔定律的正确性。微处理器方面，从1979年的8086和8088，到1982年的80286，1985年的80386，1989年的80486，1993年的Pentium，1996年的PentiumPro，1997年的PentiumII，功能越来越强，价格越来越低，每一次更新换代都是摩尔定律的直接结果。

与此同时PC机的内存储器容量由最早的480k扩大到8M，16M，与摩尔定律更为吻合。系统软件方面，早期的计算机由于存储容量的限制，系统软件的规模和功能受到很大限制，随着内存容量按照摩尔定律的速度呈指数增长，系统软件不再局限于狭小的空间，其所包含的程序代码的行数也剧增：Basic的源代码在1975年只有4,000行，20年后发展到大约50万行。微软的文字处理软件Word，1982年的第一版含有27,000行代码，20年后增加到大约200万行。有人将其发展速度绘制一条曲线后发现，软件的规模和复杂性的增长速度甚至超过了摩尔定律。系统软件的发展反过来又提高了对处理器和存储芯片的需求，从而刺激了集成电路的更快发展。

还是要说，摩尔定律并非数学、物理定律，而是对发展趋势的一种分析预测，因此，无论是它的文字表述还是定量计算，都应当容许一定的宽裕度。从这个意义上看，摩尔的预言实在是相当准确而又难能可贵的了，所以才会得到业界人士的公认，并产生巨大的反响。

摩尔定律的经济基础

作为一个现象——和对现象的表达，而非规律，这种现象能持续这么多年必然是有背后的推动力的。摩尔定律本身暗含了一个前提或前置条件，就是半导体制造成本的不断下降。比如以单个晶体管造价为依据，若随技术进步，这个价格必须呈一定的下降趋势，才有推动企业不断采用新技术的动力——因为成本下降了，意味着能赚到更多的钱。也就是说，摩尔定律从另外一个角度看,实际上是个生产成本的经济问题。

从1958年Jack Kilby发明的第一个只包含一个双极性晶体管、三个电阻和一个电容的集成电路到现如今动辄十亿个晶体管的处理器芯片，短短六十几年的时间集成电路产业以历史上前所未有的节奏飞速发展。

但近年来，随着人工智能、物联网、超级计算等时代的到来，对半导体材料与器件提出了更高的性能要求，半导体产业即将步入亟需转变突破发展的关键点。随着半导体制程特征尺寸缩小越来越困难，摩尔定律是否已经到达极限成为半导体业界乃至整个社会所关注的问题。其实但从新工艺制程的研发的角度来看，这并不是特别困难，但随着特征尺寸越来越接近宏观物理和量子物理的边界，现在高级工艺制程的研发越来越困难，研发成本也越来越高。这也部分地打破了摩尔定律“投资发展制程——芯片生产成本降低——用部分利润继续投资发展制程”的逻辑。如果工艺制程继续按照摩尔定律所说的以指数级的速度缩小特征尺寸，会遇到两个阻碍，首先是经济学的阻碍，其次是物理学的阻碍。

如何延续摩尔定律？

如何延续摩尔定律，实际上不仅是技术问题也是经济问题。鉴于应用的多元化与复杂程度的提高，微电子技术演进不再仅限于半导体CMOS工艺本身，半导体产业生态系统也在持续扩大。后摩尔时代电子技术的核心需求主要分成三个方向：即more Moore、morethan Moore和beyond Moore或beyond CMOS。这也是后摩尔时代全球半导体技术发展的三个主流路线。目前行业给出几种可能的方案：包括大热门的chiplet/3D封装，新兴器件技术(自旋器件/量子)和新兴架构(量子计算/神经形态计算)等。

摩尔的生平

1929年，戈登摩尔出生在美国旧金山，在加州伯克利大学获得化学学士学位，并在加州理工获得了物理化学博士学位，所以我们也可以称摩尔为 Doct Moore。

1955年，晶体管的联合发明人威廉·肖克利在硅谷创立肖克利半导体实验室，摩尔和集成电路的发明人罗伯特诺伊斯一起加入肖克利半导体实验室。摩尔是以化学专家的身份加入到了肖克利实验室，主要从事半导体的理论研究。

1957年，罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce），戈登·摩尔（Gordon Moore），金·赫尔尼（Jean Hoerni），朱利亚斯·布兰克（Julius Blank），尤金·克莱纳（Eugene Kleiner），杰·拉斯特（Jay Last），谢尔顿·罗伯茨（Sheldon Roberts），维克多·格里尼克（Victor Grinnich）共同创办仙童半导体公司。

1965年，摩尔发现出一个对后来计算机行业极为重大的定律，它发表在当年第35期《电子》杂志上，虽然只有3页纸的篇幅，但却是迄今为止半导体历史上最具意义的论文。

1968年7月，摩尔和他的长期同事Robert Noyce创立了英特尔。摩尔最初担任执行副总裁，直到1975年他成为总裁。

1979年，摩尔被任命为董事会主席和首席执行官，直到1987年，他放弃了首席执行官的职位，继续担任董事长。1997年，摩尔成为名誉主席，2006年卸任。

2023年3月24日，戈登·摩尔在夏威夷的家中去世，享年94岁。