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）創始人之一的戈頓?摩爾對集成電路技術發展趨勢做出的推斷。它描述了特定時期，特定技術及其相關應用的性能或價格以18個月為周期的一種增長或下降規律。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。

摩爾定律發現

計算機第一定律——摩爾定律Moore定律1965年，戈登〃摩爾（GordonMoore）準備一個關于計算機存儲器發展趨勢的報告。他整理了一份觀察資料。在他開始繪制數據時，發現了一個驚人的趨勢。每個新芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個芯片的產生都是在前一個芯片產生后的18-24個月內。如果這個趨勢繼續的話，計算能力相對于時間周期將呈指數式的上升。Moore的觀察資料，就是現在所謂的Moore定律，所闡述的趨勢一直延續至今，且仍不同尋常地準確。人們還發現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動器存儲容量的發展。該定律成為許多工業對于性能預測的基礎。在26年的時間里，芯片上的晶體管數量增加了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”的創始人是戈登〃摩爾，大名鼎鼎的芯片制造廠商Intel公司的創始人之一。20世紀50年代末至60年代初半導體制造工業的高速發展，導致了“摩爾定律”的出臺。早在1959年，美國著名半導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”技術來形成半導體電路的元器件，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提高，從而具有極大的發展潛力。因此平面工藝被認為是“整個半導體工業鍵”，也是摩爾定律問世的技術基礎。

1965年4月19日，時任仙童半導體公司研究開發實驗室主任的摩爾應邀為《電子學》雜志35周年專刊寫了一篇觀察評論報告，題目是：“讓集成電路填滿更多的元件”。摩爾應這家雜志的要求對未來十年間半導體元件工業的發展趨勢作出預言。據他推算，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。他是根據器件的復雜性（電路密度提高而價格降低）和時間之間的線性關系作出這一推斷的，他的原話是這樣說的：“最低元件價格下的復雜性每年大約增加一倍。可以確信，短期內這一增長率會繼續保持。即便不是有所加快的話。而在更長時期內的增長率應是略有波動，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幾乎維持為一個常數。”這就是后來被人稱為“摩爾定律”的最初原型。

“摩爾定律”的應用

2005年是英特爾公司創始人之一戈登·摩爾提出著名的“摩爾定律”40周年。40年中，半導體芯片的集成化趨勢一如摩爾的預測，推動了整個信息技術產業的發展，進而給千家萬戶的生活帶來變化。

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

當時，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。摩爾當時的預測聽起來好像是科幻小說；此后也不斷有技術專家認為芯片集成的速度“已經到頂”。但事實證明，摩爾的預言是準確的。盡管這一技術進步的周期已經從最初預測的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人都不可或缺的工具，信息技術由實驗室進入無數個普通家庭，因特網將全世界聯系起來，多媒體視聽設備豐富著每個人的生活。

這一切背后的動力都是半導體芯片。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，基因組研究到計算機輔助設計和制造等新科技更不可能問世。

“摩爾定律”還帶動了芯片產業白熱化的競爭。在紀念這一定律發表40周年之時，作為英特爾公司名譽主席的摩爾說：“如果你期望在半導體行業處于領先地位，你無法承擔落后于摩爾定律的后果。”從昔日的仙童公司到今天的英特爾、摩托羅拉、先進微設備公司等，半導體產業圍繞“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年來半導體芯片業的進展并展望其未來時，信息技術專家們說，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。“摩爾定律”何時失效？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，半導體晶體管可能出現問題，芯片廠商必須考慮替代產品。英特爾公司技術戰略部主任保羅·加吉尼則認為，2015年左右，部分采用了納米導線等技術的“混合型”晶體管將投入生產，5年內取代半導體晶體管。還有一些專家指出，半導體晶體管可以繼續發展，直到其尺寸的極限——4到6納米之間，那可能是2023年的事情。

專家們預言，隨著半導體晶體管的尺寸接近納米級，不僅芯片發熱等副作用逐漸顯現，電子的運行也難以控制，半導體晶體管將不再可靠。“摩爾定律”肯定不會在下一個40年繼續有效。不過，納米材料、相變材料等新進展已經出現，有望應用到未來的芯片中。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。

人類文化學家Genevieve Bell說，“這簡直不可思議。”

德州儀器公司的處理器產品市場總監Adrian Valenzuela說，“它的意義如此深遠，我幾乎無法用語言形容。” 加州大學伯克利分校的電子工程與計算機科學專業教授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。它為定期的創新提供了方向，是推動這個行業發展的自驗預言。

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年發表的一篇題為《在集成電路中加入更多元件》的文章中，學習化學和物理的摩爾預測，在一個集成電路——計算機的大腦——中能夠集成的元件數量將每年增加一倍，從而大大提升計算機的性能。 10年后，他修正了他的預測，改為每兩年增加一倍。

這個預言一開始并沒有獲得技術界的廣泛認可，直到加州理工學院的教授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立志要實現的目標——而且也確實被實現了。

一個自驗性的預言

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

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，以便能夠將更多的晶體管集成在一起。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。

這個法則使設備變得更小，而同時性能卻極大的提高了。為現代福特汽車的導航系統使用的是德州儀器公司生產的處理器，它的性能幾乎是1969年幫助探月宇航員導航的計算機的180萬倍。 蘋果公司的iPhone 6手機的性能幾乎是1975年生產的IBM計算機的100萬倍，而后者是足可以占據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量就要增加一倍，這意味著整個技術行業——從電子消費品制造商，到制造芯片生產設備的廠商，以及中間的每一個環節——都保持著同樣的進步速度。 Bell說，“摩爾法則創造了一個節拍器。”

摩爾法則設定了一個所有的公司都必須跟上的節奏，否則就要被甩在后面。摩爾說，“摩爾法則不是記載了行業的進步，而是推動了行業的進步。” 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。加州大學伯克利分校的微電子學教授Tsu-Jae King Liu說，“這是一個自驗性的預言，所以它對于整個行業來說，就像一個法則一樣。”

沒有摩爾定律的生活

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

如果沒有摩爾法則，這樣想當然的假設就不會實現了。如果沒有一個統一的力量推動行業的進步，集成電路和元件可能還停留在幾十年前的狀態。

Valenzuela說，“這是一條指數曲線，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。我現在很高興不需要再使用20世紀80年代那樣的手機了。”

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，智能手機甚至現代電話服務都不存在。她說，“互聯網是根本不可能出現的。”

摩爾定律的意義

“摩爾定律”歸納了信息技術進步的速度。在摩爾定律應用的40多年里，計算機從神秘不可近的龐然大物變成多數人都不可或缺的工具，信息技術由實驗室進入無數個普通家庭，因特網將全世界聯系起來，多媒體視聽設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濟學效益。在20世紀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。據有關統計，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系統電腦已變為3.5美分。

“摩爾定律”對整個世界意義深遠。在回顧40多年來半導體芯片業的進展并展望其未來時，信息技術專家們認為，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，半導體芯片的集成化趨勢一如摩爾的預測，推動了整個信息技術產業的發展，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展速度會無止境地持續下去嗎？

不需要復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。業界已有專家預計，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，二是經濟。

從技術的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復雜性和差錯率也將呈指數增長，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）數量級時，相當于只有幾個分子的大小，這種情況下材料的物理、化學性能將發生質的變化，致使采用現行工藝的半導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。看來摩爾定律要再維持十年的壽命，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，“摩爾定律是關于人類創造力的定律，而不是物理學定律”。持類似觀點的人也認為，摩爾定律實際上是關于人類信念的定律，當人們相信某件事情一定能做到時，就會努力去實現它。摩爾當初提出他的觀察報告時，他實際上是給了人們一種信念，使大家相信他預言的發展趨勢一定會持續。

摩爾定律是由英特爾公司名譽董事長戈登·摩爾經過長期觀察發現得出的結論，一開始被用于描述半導體制造領域的一種現象，即指集成電路上可容納的晶體管數目，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，用來形容技術快速發展帶來的性能提高。

在光纖通信行業，密集波分復用技術（DWDM）曾經很好地詮釋了摩爾定律。DWDM是一種關鍵的基礎性網絡技術，通過在一根光纖內傳送多路平行的吉比特光信號，使帶寬成本大幅降低，從而讓寬帶互聯網得以普及。該技術還擁有傳輸距離遠、延遲低的優點。隨著網絡傳輸量迅速增長，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在固定通信基礎設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技術上的花費增長了將近兩倍，2007年，全球在該技術設備上的支出達到58億美元。

在過去的10年中，著名咨詢機構Ovum公司使用一個網絡帶寬資本支出（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，好在光纖技術出現了。設備供應商之間的競爭使得傳輸成本急劇下跌，1993年，DWDM技術出現前，每秒鐘在一公里長的距離內傳輸1GB信息量的成本為2000美元，到2007年，該數字已經不足1美元，其發展速度已令摩爾定律失色。 DWDM技術從正式部署到今天已經有13年歷史，但是，它目前卻好像停止了曾經在電信發展史上創造過奇跡的指數級增長，步入了青春期的消沉。分析師指出，如果下一個5年內整個系統不出現指數級的擴張，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了嗎？ 在過去的歲月中，DWDM的成功依賴于多樣化的創新，例如光纖放大器和光分插復用器（OADM）等，還包括激光、測波器、過濾器等多種技術的進步以及各種系統軟件的創新，他們都讓系統獲得了更高的容量，并提高了運營的靈活性。

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

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

2008年已經推出和即將推出的40G技術創新包括：北電網絡研發的技術，提供了目前市場上最佳的性能，并有著向100G技術演進的清晰路線；Opvista技術，對推動40G技術在城域網中的使用有明顯的優勢；由Stratalight、Mintera和其他公司共同研發的標準化40G模塊技術也取得了進展。光纖技術供應商Infinera公司也在努力通過40G技術創新解決成本、容量和傳輸距離之間的矛盾，預計將在今年晚些時候或明年發布新技術。

同時，網絡運營商和設備供應商還將推動100G技術的創新，從而將延續DWDM的成功，并滿足全球用戶對通信服務越來越多的渴望。