你現在能刷手機，全靠他 50 年前的一句話_風聞

2023 年 3 月 24 日，美國科學家、企業家戈登·摩爾（Gordon Moore）去世，享年 94 歲。戈登·摩爾，一位真正的“大佬”，人類科技發展的推進者，影響整個計算機行業的巨匠。摩爾定律作為摩爾先生最偉大的成就，不僅推動了計算機技術的快速發展，使計算機走向更廣泛的應用，還在無形中對人類科學發展產生了深遠的影響。

戈登·摩爾，圖片來源：維基百科

至此，從肖克利博士手下出走的仙童“八叛徒”全部作古，屬於他們的時代終結了，但他們帶給人類的珍貴財富卻令他們永垂不朽。

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“叛徒”帶頭“卷”芯片

故事要從貝爾實驗室的威廉·肖克利（William Shockley）説起。這位科學家在貝爾實驗室與其他人共同發明了晶體管，並獲得諾貝爾物理學獎。

威廉·肖克利，圖片來源：維基百科

為了賺更多錢，肖克利在 1955 年創辦了自己的實驗室——肖克利半導體實驗室。實驗室坐落於美國加州的帕洛阿爾託。

肖克利半導體實驗室，圖片來源：維基百科

你可能對這個城市有點陌生，但這裏曾經孵化過許多巨頭公司，如今仍然是很多公司的總部所在地，它有一個更家喻户曉的稱呼——硅谷。

肖克利是位非常優秀的物理學家，但他沒有豐富的商業經驗和優秀的管理能力，公司僅僅創立 6 個月，很多員工就對他產生了極大不滿。1957 年 9 月 18 日，羅伯特·諾伊斯夥同 7 位肖克利半導體實驗室的同事集體向肖克利遞上辭職信。

肖克利當時大發雷霆，將這 8 位年輕人痛斥為忘恩負義的叛徒，這就是“仙童八叛徒”的由來。當時肖克利沒想到的是，這幾個人會在未來成為硅谷的傳奇，後來就連肖克利本人也改口把他們稱為“八個天才的叛逆”。

“八叛徒”合照，從左到右依次為：戈登·摩爾（Gordon Moore）、謝爾頓·羅伯茨（Sheldon Roberts）、尤金·克萊爾（Eugene Kleiner）、羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）、維克多·格里尼克（Victor Grinich）、朱利亞斯·布蘭克（Julius Blank）、金·赫爾尼（Jean Hoerni）和傑·拉斯特（Jay Last）。圖片來源：維基百科

“八叛徒”離開肖克利後就創立了大名鼎鼎的仙童半導體公司。仙童這一名字與硅谷緊緊相連，毫不誇張地説，仙童半導體公司的創立標誌了硅谷的誕生。

1968 年，由於仙童半導體公司快速發展帶來的一系列問題，歷史又一次重演。摩爾叛離了仙童，與集成電路發明者的羅伯特·諾伊斯以及安迪·格羅夫一起創辦了英特爾公司，就此開啓了“三位一體的英特爾傳奇”之路。

1965 年，摩爾受《電子學》雜誌邀請，寫下了《將更多的元件塞進集成電路》。在這篇僅有 4 頁的文章中，摩爾通過幾年的數據整理，寫下了著名的**摩爾定律：**在未來十年內，單位面積芯片上的晶體管數量每年翻一番。

在 1975 年，摩爾可能是發現這樣的速度太“卷”了，於是他又將摩爾定律改為每兩年翻一番。

論文內容，介紹在未來十年內，單位面積芯片上的晶體管數量每年翻一番。圖片來源：《將更多的元件塞進集成電路》

可能就連摩爾自己都沒想到，這短短數行字會成為未來半個世紀半導體的發展規律，被全世界努力追趕。

之後著名的每 18 個月翻一番的摩爾定律，其實是由後來的英特爾 CEO 大衞·豪斯在此基礎上所做的改動，他不僅改變了時間，還將晶體管數量翻一番曲解成“性能提高一倍”。摩爾定律誕生後，全世界半導體公司都開啓了行業“內卷”之路，商業化時代的摩爾定律成了一種促銷手段，變成了一條經濟定律。

02

摩爾定律

晶體管的“瘦身”

為什麼晶體管數量能夠實現短時間的翻倍呢？摩爾定律為什麼能夠成立呢？這些問題要從晶體管開始講起。

**晶體管就像兩個首尾相連的二極管。**兩邊是同類型半導體，中間是另一種類型的半導體。正常情況下，沒有任何電流能通過它，但是當我們給中間的半導體施加電流，只要電流能達到一定閾值，晶體管就被導通，相當於打開了開關，而在閾值以下，晶體管則相當於斷路。

這種通過調節電流實現自由開關的功能就是晶體管最重要的功能，它打開了數字電子學與數字儲存器的大門。

不同大小的晶體管，圖片來源：維基百科

人類將很多晶體管與其他元件相互組合，構成各種類型的邏輯電路——與、或、非等門電路，這些電路可以組合成各種計算功能。相比於普通電路，這種電路不僅運算速度更快，還可以做得很小，方便集成到各種微型設備中，這就是所謂的集成電路，它正是現代互聯網和你身邊的電腦、手機的“鼻祖”。

晶體管數量越多，構成的邏輯電路越多，我們能同時運算的數字就越多，從而構成越快的集成電路，這就是大規模乃至超大規模集成電路誕生的原因。

集成電路內部晶體管，圖片來源：維基百科

通過以上描述你可以發現，相同芯片架構下，晶體管的數量其實決定了芯片的性能。那如何實現單位面積芯片晶體管數量翻倍呢？答案其實很簡單，將每個晶體管面積變為原來的 1/2。

早期芯片只有二維排列，將晶體管看成一個長方形，只要它的長和寬都縮小為原來的 0.7 倍，0.7×0.7=0.49，就可以實現單個晶體管面積縮小為原來的一半了。晶體管的長和寬變為原來的 0.7 倍，其柵極長度自然也會變為原來的 0.7 倍。

圖庫版權圖片，不授權轉載

什麼是柵極？**柵極在晶體管中的作用類似於柵欄，它可以攔住電子，也可以讓電子通過。**它的功能就是通過調節柵極的電流，以實現調節流過晶體管的電流強度的作用。

柵極其實是晶體管功能的核心所在，因此科學家選擇將最小柵極長度作為衡量工藝進步的標準，這就是商業宣傳中常説的芯片製程。這下你應該知道為什麼手機廠商宣傳的芯片製程（從 14 納米、10 納米到 7 納米再到 5 納米），每次進步都是按照 0.7 的比例縮小了吧。

當然，由於晶體管的三維堆疊技術的發明、芯片頻率的進步和物理極限等原因，現在的芯片已經“卷”不動晶體管數量了，也無法實現摩爾定律的晶體管翻倍定律。所以英特爾才無奈地將摩爾定律改為“性能提升一倍”。所謂芯片製程也變成了一種象徵意義，為了遵循摩爾定律所創造的營銷方式，不再代表實際芯片的最小柵極長度了。

半導體行業歷經半個多世紀，都在按照摩爾定律發展。從第一枚商用芯片的 2250 個晶體管，到現在一枚小小的 CPU 包含的數百億個晶體管，都是萬千工程師智慧的凝結。半導體廠商越來越“卷”，晶體管數量越來越多，芯片效能不斷提升，價格自然也降低了。現在你能享受到互聯網和智能手機等技術的快速變革和創新，都離不開人類對摩爾定律的堅守。

03

摩爾定律

要消失了嗎？

可惜的是，隨着新工藝節點的不斷推出，工藝製程也在一步步向着物理極限逼近，導致摩爾定律無法持續。

對於摩爾定律達到極限的原因，可能你聽的最多的就是量子隧穿效應。晶體管如果持續縮小，甚至可能到達幾個原子的尺寸。在這個尺度下，量子效應會大大增強。這時，不需要給柵極施加電流，某些電子就可以直接從發射極直接流向集電極，這意味着晶體管的功能受到很大削弱，會導致非常嚴重的後果。

圖庫版權圖片，不授權轉載

為了能繼續減小柵極大小，人類也提出了各種解決手段，例如將柵極材料替換成高介電材料，以防止電子的穿透。或者將柵極做成類似魚鰭的叉狀 3D 架構，用立體結構取代平面器件來增強柵極的控制能力，以減小量子隧穿對芯片的影響。

但這些方法都只是“緩兵之計”，如果沒有材料學上的突破性進展，隨着晶體管數量的增加，生產成本會不斷增加，晶體管的性能提升也會遇到瓶頸，終有一天摩爾定律會“死去”。

有預測認為，摩爾定律的極限將在 2025 年左右到來，但也有樂觀的人認為還能持續更久。這幾年，隨着 AI 時代的到來，關於摩爾定律已死的討論越來越多，其實摩爾本人也預見了摩爾定律失效的那一天。

早在 2015 年，摩爾接受採訪時就表示：摩爾定律不會永遠有效，但如果良好的工程技術得到應用，那麼摩爾定律仍然可以堅持 5 到 10 年時間。有趣的是，英特爾並不贊同老領導的觀點，他們經常在公開場合表示：摩爾定律“活得很好（Alive and Well）”。

**雖然晶體管數量的增加趨於平緩是不爭的事實，但是各大廠商為了能跟上摩爾定律，仍然在不斷努力。**未來人類可能會通過優化硬件結構和使用更高效的材料來提高晶體管的性能，或者採用新型的計算架構，例如量子計算機和神經元計算機等，來滿足不同領域和應用的需求。

在 AI 迎來“寒武紀大爆發”的當下，我們需要更強大、更快速、更節能的芯片去支持更復雜、更智能、更創新的AI系統。當下爆火的 ChatGPT 的研發公司 CEO 曾在社交媒體發文稱，新版本的摩爾定律——全球人工智能運算量每隔 18 個月翻一番，很快就要到來。這可能就是對戈登·摩爾先生最好的致敬。

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結語

在這個快速變化的時代，人們對於技術的期望也在不斷提高。摩爾定律的提出，讓人們對於未來的技術充滿了無限的想象和期待。從電子計算機到量子計算機，從傳統互聯網到區塊鏈技術，計算機技術正以驚人的速度不斷演化，不斷改變着人類世界和生活。因此，我們需要不斷地尋找新的技術和方法來推動計算機技術的進步。

但同時，我們也需要意識到計算機技術發展的複雜性和多樣性，不應該過度依賴於摩爾定律的預測和承諾。只有不斷地創新和探索，才能夠實現計算機技術的跨越式發展和人類社會的繁榮與進步。

參考文獻：

[1] Moore, G. E. (1965). Cramming more components onto integrated circuits. Electronics, 38(8), 114-117.

[2] CEA-LETI. (2020). Leti’s roadmap to overcome limitations of Moore’s law. Retrieved from

[3] Denning, P. J. (2013). Great principles of computing. Communications of the ACM, 56(9), 34-42.

[4] 吳軍.《硅谷之謎》[J].華東科技,2016,No.359(01):79.

審核：科普中國

作者：王智豪（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）

監製：中國科普博覽

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