摩爾定律

1965年4月19日，《電子學》雜誌（Electronics Magazine）第114頁發表了摩爾（時任仙童半導體公司工程師）撰寫的文章〈讓集成電路填滿更多的組件〉，文中預言半導體晶元上集成的晶體管和電阻數量將每年增加一倍。

1975年，摩爾在IEEE國際電子組件大會上提交了一篇論文，根據當時的實際情況對摩爾定律進行了修正，把“每年增加一倍”改為“每兩年增加一倍”，而普遍流行的說法是“每18個月增加一倍”。但1997年9月，摩爾在接受一次採訪時聲明，他從來沒有說過“每18個月增加一倍”，而且SEMATECH路線圖跟隨24個月的周期。

大抵而言，若在相同面積的晶圓下生產同樣規格的IC，隨著製程技術的進步，每隔一年半，IC產出量就可增加一倍，換算為成本，即每隔一年半成本可降低五成，平均每年成本可降低三成多。就摩爾定律延伸，IC技術每隔一年半推進一個世代。

摩爾定律是簡單評估半導體技術進展的經驗法則，其重要的意義在於長期而言，IC製程技術是以一直線的方式向前推展，使得IC產品能持續降低成本，提升性能，增加功能。

1998年時，台積電董事長張忠謀曾表示，摩爾定律在過去30年相當有效，未來10到15年應依然適用。但最新的一項研究發現，“摩爾定律”的時代將會退出，因為研究和實驗室的成本需求十分高昂，而有財力投資在創建和維護晶元工廠的企業很少。而且製程也越來越接近半導體的物理極限，將會難以再縮小下去。

由於高純硅的獨特性，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，直小到一根頭髮絲上可以放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計算機為85美分，IBM709降到17美分，而60年代中期IBM耗資50億研製的IBM360系統計算機已變為3.0美分。摩爾定律的定義歸納起來，主要有以下三種版本：

● ● 集成電路晶元上所集成的電路的數目，每隔18個月就翻一倍。

● ● 微處理器的性能每隔18個月提高一倍，或價格下降一半。

● ● 用一個美元所能買到的計算機性能，每隔18個月翻兩倍。

以上幾種說法中，以第一種說法最為普遍，第二、三兩種說法涉及到價格因素，其實質是一樣的。三種說法雖然各有千秋，但在一點上是共同的，即“翻倍”的周期都是18個月，至於翻倍的是集成電路晶元上所集成的“電路的數目”，是整個“計算機的性能”，還是“一個美元所能買到的性能”就見仁見智了。

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，緊接著於1961年又推出了平面型集成電路。這種平面型製造工藝是在研磨得很平的矽片上，採用一種所謂“光刻”技術來形成半導體電路的元器件，如二極體、三極體、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“整個半導體的工業鍵”，也是摩爾定律問世的技術基礎。

1965年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》雜誌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”。在摩爾開始繪製數據時，發現了一個驚人的趨勢：每個新晶元大體上包含其前任兩倍的容量，每個晶元的產生都是在前一個晶元產生后的18-24個月內。

如果這個趨勢繼續的話，計算能力相對於時間周期將呈指數式的上升。摩爾的觀察資料，就是後來的摩爾定律，且仍不同尋常地準確。

人們還發現這不光適用於對存儲器晶元的描述，也精確地說明了處理機能力和磁碟驅動器存儲容量的發展。該定律成為許多工業對於性能預測的基礎。在26年的時間裡，晶元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。

戈登·摩爾（Gordon Moore,1929-）：英特爾公司（Intel）的創始人之一。

1929年1月3日，戈登·摩爾出生在加州舊金山的佩斯卡迪諾。父親沒有上過多少學，17歲就開始養家，做一個小官員，母親只有中學畢業。高中畢業后他進入了著名的加州伯克利分校的化學專業，實現了自己的少年夢想。

1950年，摩爾獲得了學士學位，接著他繼續深造，於1954年獲得物理化學博士學位。

1965年，提出“摩爾定律”。

另一種說法

摩爾定律雖然以戈登·摩爾（Gordon Moore）的名字命名，但最早提出摩爾定律相關內容的並非摩爾，而是加州理工學院的卡沃·米德（Carver Mead）教授。

米德是最早關注到摩爾定律所提出的晶體管之類的產量增加，就會引起其價格下降現象的。米德指出，如果給定價格的電腦處理能力每兩年提高一倍，那麼這一價位的電腦處理裝置同期就會降價一半。

廣義驗證

1975年，在一種新出現的電荷前荷器件存儲器晶元中，的確含有將近65000個元件，與1965年摩爾的預言一致。另據Intel公司公布的統計結果，單個晶元上的晶體管數目，從1971年4004處理器上的2300個，增長到1997年PentiumII處理器上的7.5百萬個，26年內增加了3200倍。如果按“每兩年翻一番”的預測，26年中應包括13個翻番周期，每經過一個周期，晶元上集成的元件數應提高2n倍（0≤n≤12），因此到第13個周期即26年後元件數這與實際的增長倍數3200倍可以算是相當接近了。

要素驗證

摩爾定律

也有人從個人計算機（即PC）的三大要素微處理器晶元、半導體存儲器和系統軟體來考察摩爾定律的正確性。

微處理器方面，從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，功能越來越強，價格越來越低，每一次更新換代都是摩爾定律的直接結果。與此同時PC機的內存儲器容量由最早的480k擴大到8M，16M，與摩爾定律更為吻合。

系統軟體方面，早期的計算機由於存儲容量的限制，系統軟體的規模和功能受到很大限制，隨著內存容量按照摩爾定律的速度呈指數增長，系統軟體不再局限於狹小的空間，其所包含的程序代碼的行數也劇增：Basic的源代碼在1975年只有4，000行，20年後發展到大約50萬行。微軟的文字處理軟體Word，1982年的第一版含有27，000行代碼，20年後增加到大約200萬行。有人將其發展速度繪製一條曲線后發現，軟體的規模和複雜性的增長速度甚至超過了摩爾定律。系統軟體的發展反過來又提高了對處理器和存儲晶元的需求，從而刺激了集成電路的更快發展。

摩爾定律並非數學、物理定律，而是對發展趨勢的一種分析預測，因此，無論是它的文字表述還是定量計算，都應當容許一定的寬裕度。從這個意義上看，摩爾的預言是準確而難能可貴的，所以才會得到業界人士的公認，併產生巨大的反響。

1975年，摩爾在國際電信聯盟IEEE的學術年會上提交了一篇論文，根據當時的實際情況，對“密度每年一番”的增長率進行了重新審定和修正。按照摩爾本人1997年9月接受《科學的美國人》一名編輯採訪時的說法，他當年是把“每年翻一番”改為“每兩年翻一番”。實際上，後來更準確的時間是兩者的平均:18個月。

摩爾第二定律：摩爾定律提出30年來，集成電路晶元的性能的確得到了大幅度的提高；但另一方面，Intel高層人士開始注意到晶元生產廠的成本也在相應提高。1995年，Intel董事會主席羅伯特·諾伊斯預見到摩爾定律將受到經濟因素的制約。同年，摩爾在《經濟學家》雜誌上撰文寫道：“令我感到最為擔心的是成本的增加，…這是另一條指數曲線”。他的這一說法被人稱為摩爾第二定律。

新摩爾定律：中國IT專業媒體上出現了“新摩爾定律”的提法，指的是中國Internet聯網主機數和上網用戶人數的遞增速度，大約每半年就翻一番。而且專家們預言，這一趨勢在未來若干年內仍將保持下去。

“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多年裡，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，網際網路將全世界聯繫起來，多媒體視聽設備豐富著每個人的生活。

“摩爾定律”對整個世界意義深遠。在回顧40多年來半導體晶元業的進展並展望其未來時，信息技術專家們認為，在以後“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，半導體晶元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。

摩爾定律問世已40多年，人們不無驚奇地看到半導體晶元製造工藝水平以一種令人目眩的速度提高。Intel的微處理器晶元Pentium4的主頻已高達2GHz，2011年推出了含有10億個晶體管、每秒可執行1千億條指令的晶元。這種發展速度是否會無止境地持續下去是成為人們所思考的問題。

從技術的角度看，隨著矽片上線路密度的增加，其複雜性和差錯率也將呈指數增長，同時也使全面而徹底的晶元測試幾乎成為不可能。一旦晶元上線條的寬度達到納米（10^-9米）數量級時，相當於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，致使採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盡頭。

從經濟的角度看，正如摩爾第二定律所述，20-30億美元建一座晶元廠，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。由於花不起這筆錢，越來越多的公司退出了晶元行業。

物理學家加來道雄（Michio Kaku）是紐約城市大學一名理論物理學教授，2012年接受採訪時稱摩爾定律在叱吒晶元產業47年風雲之久后，正日漸走向崩潰。這將對計算機處理進程產生重大影響。在未來十年左右的時間內，摩爾定律就會崩潰，單靠標準的硅材料技術，計算能力無法維持快速的指數倍增長。

加來道雄表示導致摩爾定律失效的兩大主因是高溫和漏電。這也正是硅材料壽命終結的原因。加來道雄表示這與科學家們最初預測摩爾定律沒落大相徑庭。科學家應該能繼續挖掘硅部件的潛力，從而在未來幾年時間裡維持摩爾定律的生命力；但在3D晶元等技術也都耗盡潛力以後，那麼也就將達到極限。

各領域科學家以及產業分析師們都預測到了摩爾定律的失效。然而研究者們同時又提出，不斷進步的晶元結構和部件使得摩爾定律依然有效。就連被稱作“建立在摩爾定律之上”的Intel公司宣布隨著採用納米導線等技術的新型晶體管逐漸取代傳統的半導體晶體管，已經進入“大叔”級別的“摩爾定律”，將不能繼續引領電子設備發展的節奏。

基於摩爾定律的這種情況，業界提出了“More-Than-Moore”（簡稱MTM，即“超越摩爾定律”），試圖從更多的途徑來維護摩爾定律的發展趨勢，並且從摩爾定律的“更多更快”，發展到MTM的“更好更全面”。摩爾定律在Logic類和Memory類的集成電路的發展中提出和得到驗證，而MTM則適用於更多類型的集成電路，如Analog、RF、Image Sensor、Embedded DRAM、Embedded FLASH、MEMS、High Voltage等，通過改變基礎的晶體管結構（SOI、FIN-FET），各類型電路兼容工藝，先進封裝（晶圓級封裝、SiP、3D多晶元封裝）等技術，使一個系統級晶元能支持越來越多的功能，同樣可以降低晶元的成本、提高電路的等效集成度。

毫無疑問，摩爾法則對整個世界意義深遠。不過，隨著晶體管電路逐漸接近性能極限，這一法則將會走到盡頭。摩爾法則何時失效？專家們對此眾說紛紜。早在1995年在芝加哥舉行信息技術國際研討會上，美國科學家和工程師傑克·基爾比表示，5納米處理器的出現或將終結摩爾法則。中國科學家和未來學家周海中在此次研討會上預言，由於納米技術的快速發展，30年後摩爾法則很可能就會失效。2012年，日裔美籍理論物理學家加來道雄在接受智囊網站採訪時稱，“在10年左右的時間內，我們將看到摩爾法則崩潰。”前不久，摩爾本人認為這一法則到2020年的時候就會黯然失色。一些專家指出，即使摩爾法則壽終正寢，信息技術前進的步伐也不會變慢。

2012年10月28日，美國IBM研究所科學家宣稱，最新研製的碳納米管晶元符合了“摩爾定律”周期，依據摩爾定律，計算機晶元每18個月集成度翻番，價格減半。傳統的晶體管是由硅製成，然而2011年來硅晶體管已接近了原子等級，達到了物理極限，由於這種物質的自然屬性，硅晶體管的運行速度和性能難有突破性發展。

IBM公司的研究人員在一個硅晶元上放置了1萬多個碳納米晶體管，碳納米晶體管的電子比硅質設備運行得更快。它們也是晶體管最理想的結構形式。這些優異的性能將成為替代硅晶體管的原因，同時結合新晶元設計架構，未來將使微型等級晶元實現計算機創新。

研究人員發現，電子被捕獲進一個介面處具有一層氧化物或者金屬的半導體后就很容易被抽進空氣中，藏匿於該介面處的電子會形成一層電荷，而且該電子層內部的帶電粒子之間的庫倫排斥力也會使電子很容易從硅中釋放出來。他們通過施加很少量的電壓，有效地從硅結構中提取出了電子，隨後再將電子置於空氣中，使它們能在納米尺度的通道內行進，而不會遇到任何的碰撞或者發生散射。

2013年，科學家將摩爾定律應用到了地球生命複雜性的研究上，他們的結果顯示，有機生命的存在時間遠超過地球本身。研究者將摩爾定律中的晶體管換成了核苷酸——生命遺傳物質的基礎——將電路換成了遺傳物質，進行數學計算。計算結果顯示，生命最早出現在100億年前，比地球45億年的預測年齡古老得多。研究者稱，在太陽系形成的時候，可能已經存在著類似細菌的生物體，或者一些存在於銀河系古老區域的簡單核苷酸，可能通過彗星、小行星或其他太空碎片來到地球。這一假說被稱為有生源說，又稱泛種論。有科學家認為，仍有生命以泛種論的方式進入地球。