1965年，那時(shí)戈登·摩爾（Gordon Moore）還在仙童半導(dǎo)體公司，他開始將新出現(xiàn)的集成電路的未來發(fā)展理論化；而那時(shí)，他的實(shí)驗(yàn)室里的集成電路才集成了64個(gè)晶體管，而一年之前，最先進(jìn)的集成電路還只能集成32個(gè)晶體管。平面型晶體管問世于1959年，之后摩爾開始注意到：差不多每隔一年，集成電路上所集成的晶體管數(shù)量就會(huì)翻番。在1965年春天，摩爾在一篇發(fā)表在《電子雜志》特刊中的文章中表達(dá)了這一看法，并且他還特別提到這一趨勢還將繼續(xù)持續(xù)至少十年。十年還沒過去，摩爾的朋友卡沃·米德（Carver Mead）教授也注意到了這一趨勢，至此，“摩爾定律”這個(gè)詞才被真正創(chuàng)造出來。

摩爾定律已經(jīng)經(jīng)歷了輝煌的五十年（準(zhǔn)確的五十年紀(jì)念日的官方日期是2015年4月19號(hào)），回顧其過往的歲月以及觀察其隨著行業(yè)而不斷進(jìn)化的過程是一件十分有趣的事情；而且這還能為計(jì)算創(chuàng)新的前進(jìn)方向的預(yù)測提供依據(jù)。

1965年：戈登·摩爾的預(yù)見性猜想

摩爾的預(yù)測基于兩項(xiàng)他對行業(yè)做出的重要觀察。

首先是在任何給定的時(shí)間芯片上集成的元件的數(shù)量。更多的元件就意味著單個(gè)元件的成本就越低，所不同的是隨著元件數(shù)量的增加，產(chǎn)量就下降了，所以在某些時(shí)間點(diǎn)上，元件數(shù)量的增加卻會(huì)帶來收益的降低。在1970年，他將自己觀察得到的數(shù)據(jù)繪制成了一張復(fù)雜度和收益之間的圖表，

摩爾對行業(yè)的最初觀察結(jié)果是存在一個(gè)元件密度和對應(yīng)成本的最優(yōu)點(diǎn)。

另外，摩爾發(fā)現(xiàn)單個(gè)芯片上的元件的最佳數(shù)量正在快速上升——自1959年平面晶體管問世以來，這一數(shù)字幾乎每一年就會(huì)翻番。那是一個(gè)指數(shù)級的增長曲線，如下圖所示；他將這條線延伸到了未來，并且預(yù)測這一增長趨勢還將繼續(xù)持續(xù)十年時(shí)間。盡管摩爾在做出這項(xiàng)預(yù)言之前聽Douglas Engelbart談?wù)撨^這一主題，但摩爾是第一個(gè)將其寫進(jìn)文章里并做出特定預(yù)言的人。摩爾從來沒將這個(gè)預(yù)言看做一項(xiàng)“定律”，或者其他什么規(guī)則性的東西。但他在文章中對這一預(yù)言做出了詳細(xì)的解釋，他認(rèn)為未來十年內(nèi)遇到的每一個(gè)需要解決的技術(shù)文章最終都將被解決。

摩爾觀察到的第二個(gè)現(xiàn)象是從第一個(gè)集成電路問世以來，元件密度差不多都每年翻一番。

1975年：Carver Mead造出“摩爾定律”

在Carver Mead于1975年提出“摩爾定律”這一術(shù)語的時(shí)候，摩爾事實(shí)上已經(jīng)修正過他自己的預(yù)言了。摩爾其實(shí)從沒指望過自己的預(yù)言能夠十分精確，但該預(yù)言卻幾乎完美地預(yù)測了半導(dǎo)體行業(yè)未來十年的發(fā)展。但是，摩爾發(fā)現(xiàn)從元件密度的增加中獲得收益的增速正在減緩，于是在1980年，摩爾將翻番的時(shí)間間隔改成了2年。

英特爾的House將摩爾定律重新塑造成今天的模樣。

盡管元件密度的增速在1975年減緩了，但英特爾的Dave House卻發(fā)現(xiàn)單個(gè)元件的運(yùn)算速度變快了。從中他提煉出了一個(gè)理論：集成芯片的計(jì)算能力每18個(gè)月翻倍一次，這比摩爾最早的預(yù)言要慢，而比摩爾1975年的修正版又更快。從這時(shí)起，摩爾定律才開始流行起來，并成為了一個(gè)精心維持的法律形式的預(yù)言，成了半導(dǎo)體行業(yè)亦步亦趨追隨的對象，以至于每一代工藝革新時(shí)都有人拿摩爾定律說事，就像本文現(xiàn)在正做的那樣。

如果你正從事半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)的工作，那么摩爾定律的細(xì)節(jié)對你來說一定非常重要。你有足夠的理由質(zhì)疑集成電路照這樣的步伐前進(jìn)的未來還能持續(xù)多久。而對于更大多數(shù)人來講，摩爾定律的最主要影響還是我們的計(jì)算類消費(fèi)品的性能提升和成本下降——事實(shí)上我們并不在意半導(dǎo)體行業(yè)會(huì)怎么去實(shí)現(xiàn)它。所以有必要從一個(gè)更宏觀的視野下來理解集成電路的過去和未來。

從算盤到超級計(jì)算機(jī)

盡管計(jì)算的革命是從晶體管和集成電路的出現(xiàn)開始的，但事實(shí)上計(jì)算機(jī)在和硅緊密結(jié)合之前就早已存在。計(jì)算機(jī)歷史博物館的走道起點(diǎn)是算盤，后來計(jì)算的任務(wù)交給了計(jì)算尺，然后是可以追溯到Charles Babbage的機(jī)械計(jì)算器，然后出現(xiàn)了依賴真空管的大型機(jī)。而在集成電路出現(xiàn)之前，研究人員還用分離的晶體管制成了早期的超級計(jì)算機(jī)，如CDC 6600和Atlas。

如果我們回顧摩爾的文章出現(xiàn)之前30年的計(jì)算發(fā)展的歷史，我們可以列出一個(gè)計(jì)算能力的圖表：從1938年的Konrad Zuse的Z1機(jī)械計(jì)算機(jī)的每秒一個(gè)周期到1965年CDC6600的3 MFLOPS（每秒百萬個(gè)浮點(diǎn)操作）。即使我們將Z1機(jī)械計(jì)算機(jī)的的計(jì)算速度設(shè)定為1 FLOP，那個(gè)時(shí)代計(jì)算能力的倍增也需要12-18個(gè)月時(shí)間，這和摩爾關(guān)于集成電路的預(yù)測是相似的，但實(shí)現(xiàn)的物理機(jī)制卻已經(jīng)大不相同。

Ray Kurzweil在他的書《奇點(diǎn)將至》中則走得更遠(yuǎn)，甚至將1900年的機(jī)械制表機(jī)也納入到了數(shù)據(jù)中。如果我們將這些數(shù)據(jù)聚集起來繪成圖表，那就不難發(fā)現(xiàn)事實(shí)上計(jì)算能力的指數(shù)級的增長已經(jīng)持續(xù)了一個(gè)多世紀(jì)了！

集成電路之后的未來

現(xiàn)在的集成電路正在逐漸逼近尺寸和計(jì)算能力的極限，這可能意味著嚴(yán)格定義的摩爾定律的結(jié)束。但是我們還有大量新技術(shù)在等待時(shí)機(jī)接替上來，就像集成電路對分立的晶體管、晶體管對真空管做的那樣。其中最可能的大概就是以今天的GPU為代表的并行計(jì)算了。并行計(jì)算不僅能在圖形處理上給計(jì)算性能帶來顯著的提升，而且也能為針對多處理器內(nèi)核的應(yīng)用程序提供強(qiáng)有力的性能支持。另外還有就是聽起來高深莫測的量子計(jì)算，但目前還沒有一臺(tái)有使用價(jià)值的實(shí)際機(jī)器出現(xiàn)。當(dāng)然，還有那些各種各樣的新物理計(jì)算機(jī)架構(gòu)，從光計(jì)算到石墨烯等不一而足。

許多孩子都聽過一個(gè)寓言故事，說的是一個(gè)數(shù)學(xué)家要求國王在國際象棋的棋盤格上按倍增的方式放滿米粒，而這樣做卻足以讓國王破產(chǎn)。同樣的，盡管目前看來后續(xù)技術(shù)似乎還不甚明了，但我們卻處在一個(gè)幸運(yùn)的位置上，因?yàn)橄乱徊降膭?chuàng)新必然會(huì)是計(jì)算發(fā)展中的一個(gè)重要的“大事件”，而我們正等待著去見證它。摩爾在接受采訪時(shí)也表示，硅半導(dǎo)體技術(shù)不可能一直高速地發(fā)展下去，像石墨烯或是納米技術(shù)這樣的新技術(shù)才能滿足未來發(fā)展的需要。