摩尔定律还重要吗

什么是摩尔定律

摩尔定律是著名芯片制造厂商美国因特尔公司（Intel）创始人之一的戈顿•摩尔对集成电路技术发展趋势做出的推断。它描述了特定时期，特定技术及其相关应用的性能或价格以18个月为周期的一种增长或下降规律。摩尔定律主要有三种不同的表述：

（1）集成电路芯片上所集成的电路数目，每隔18个月翻一番；

（2）微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降50%；

（3）用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。

摩尔定律发现

计算机第一定律——摩尔定律Moore定律1965年，戈登〃摩尔（GordonMoore）准备一个关于计算机存储器发展趋势的报告。他整理了一份观察资料。在他开始绘制数据时，发现了一个惊人的趋势。每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量，每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18-24个月内。如果这个趋势继续的话，计算能力相对于时间周期将呈指数式的上升。Moore的观察资料，就是现在所谓的Moore定律，所阐述的趋势一直延续至今，且仍不同寻常地准确。人们还发现这不光适用于对存储器芯片的描述，也精确地说明了处理机能力和磁盘驱动器存储容量的发展。该定律成为许多工业对于性能预测的基础。在26年的时间里，芯片上的晶体管数量增加了3200多倍，从1971年推出的第一款4004的2300个增加到奔腾II处理器的750万个。

摩尔定律由来

“摩尔定律”的创始人是戈登〃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60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4月19日，时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔应邀为《电子学》杂志35周年专刊写了一篇观察评论报告，题目是：“让集成电路填满更多的元件”。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：“最低元件价格下的复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。

“摩尔定律”的应用

2005年是英特尔公司创始人之一戈登·摩尔提出著名的“摩尔定律”40周年。40年中，半导体芯片的集成化趋势一如摩尔的预测，推动了整个信息技术产业的发展，进而给千家万户的生活带来变化。

1965年4月，当时还是仙童公司电子工程师的摩尔在《电子学》杂志上发表文章预言，半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番。1975年他又提出修正说，芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番。

当时，集成电路问世才6年。摩尔的实验室也只能将50只晶体管和电阻集成在一个芯片上。摩尔当时的预测听起来好像是科幻小说；此后也不断有技术专家认为芯片集成的速度“已经到顶”。但事实证明，摩尔的预言是准确的。尽管这一技术进步的周期已经从最初预测的12个月延长到如今的近18个月，但“摩尔定律”依然有效。目前最先进的集成电路已含有17亿个晶体管。

“摩尔定律”归纳了信息技术进步的速度。这40年里，计算机从神秘不可近的庞然大物变成多数人都不可或缺的工具，信息技术由实验室进入无数个普通家庭，因特网将全世界联系起来，多媒体视听设备丰富着每个人的生活。

这一切背后的动力都是半导体芯片。如果按照旧有方式将晶体管、电阻和电容分别安装在电路板上，那么不仅个人电脑和移动通信不会出现，基因组研究到计算机辅助设计和制造等新科技更不可能问世。

“摩尔定律”还带动了芯片产业白热化的竞争。在纪念这一定律发表40周年之时，作为英特尔公司名誉主席的摩尔说：“如果你期望在半导体行业处于领先地位，你无法承担落后于摩尔定律的后果。”从昔日的仙童公司到今天的英特尔、摩托罗拉、先进微设备公司等，半导体产业围绕“摩尔定律”的竞争像大浪淘沙一样激烈。

毫无疑问，“摩尔定律”对整个世界意义深远。在回顾40年来半导体芯片业的进展并展望其未来时，信息技术专家们说，在今后几年里，“摩尔定律”可能还会适用。但随着晶体管电路逐渐接近性能极限，这一定律终将走到尽头。“摩尔定律”何时失效？专家们对此众说纷纭。

美国惠普实验室研究人员斯坦·威廉姆斯说，到2010年左右，半导体晶体管可能出现问题，芯片厂商必须考虑替代产品。英特尔公司技术战略部主任保罗·加吉尼则认为，2015年左右，部分采用了纳米导线等技术的“混合型”晶体管将投入生产，5年内取代半导体晶体管。还有一些专家指出，半导体晶体管可以继续发展，直到其尺寸的极限——4到6纳米之间，那可能是2023年的事情。

专家们预言，随着半导体晶体管的尺寸接近纳米级，不仅芯片发热等副作用逐渐显现，电子的运行也难以控制，半导体晶体管将不再可靠。“摩尔定律”肯定不会在下一个40年继续有效。不过，纳米材料、相变材料等新进展已经出现，有望应用到未来的芯片中。到那时，即使“摩尔定律”寿终正寝，信息技术前进的步伐也不会变慢。

摩尔定律的重要性

要想了解摩尔法则对社会做了什么贡献，只要想一想，如果1965年英特尔公司的创始人之一戈登？摩尔没有提出那句著名的论断，世界将会变成什么样，就知道了。

人类文化学家Genevieve Bell说，“这简直不可思议。”

德州仪器公司的处理器产品市场总监Adrian Valenzuela说，“它的意义如此深远，我几乎无法用语言形容。” 加州大学伯克利分校的电子工程与计算机科学专业教授Jeff Bokor则说，“它带来了翻天覆地的变化。”

这些评价一点也不夸张；它们恰如其分地强调了，一个论断会给世界带来多么大的影响。摩尔法则是计算机处理器（也就是芯片）制造的指南。它为定期的创新提供了方向，是推动这个行业发展的自验预言。

你很高兴iPhone 6如此轻便吧？那你可要感谢摩尔法则。

首先，让我们考察一下摩尔法则在历史上的效果，并澄清一些错误的概念。最重要的是，摩尔法则并不是像牛顿运动三定律那样的法则。在1965年发表的一篇题为《在集成电路中加入更多元件》的文章中，学习化学和物理的摩尔预测，在一个集成电路——计算机的大脑——中能够集成的元件数量将每年增加一倍，从而大大提升计算机的性能。 10年后，他修正了他的预测，改为每两年增加一倍。

这个预言一开始并没有获得技术界的广泛认可，直到加州理工学院的教授Carver Mead在1975年提出了“摩尔法则”这个说法。在50年的时间里，这个法则成了整个行业立志要实现的目标——而且也确实被实现了。

一个自验性的预言

摩尔法则针对的是晶体管，它能够控制电信号的开关，从而使设备可以处理信息和完成任务。晶体管就像是构成大脑的砖块，存在于智能手机、平板电脑和所有的数字设备之中。

一个芯片中集成的晶体管越多，这块芯片处理信息的速度就越快。 为了实现摩尔法则，芯片制造商不得不努力缩小晶体管的体积，以便能够将更多的晶体管集成在一起。最初的晶体管有半英寸长。而今天最新的芯片中包含的晶体管比一个病毒还小，几乎小到了无法想象的地步。

包括英特尔和三星在内的芯片制造商都在努力将芯片做得更小。

但是说到摩尔法则，体积的大小还不是最重要的。更重要的是设备会随着时间的推移变得更好、更智能这样的想法。

这个法则使设备变得更小，而同时性能却极大的提高了。为现代福特汽车的导航系统使用的是德州仪器公司生产的处理器，它的性能几乎是1969年帮助探月宇航员导航的计算机的180万倍。 苹果公司的iPhone 6手机的性能几乎是1975年生产的IBM计算机的100万倍，而后者是足可以占据整个房间的庞然大物。iPhone最开始的定价是650美元，而10年前一台台式电脑的售价就要在1000美元到4000美元之间，而且性能还相差甚远。

摩尔法则最关键的地方是时间因素：每两年，集中电路中能容纳的晶体管数量就要增加一倍，这意味着整个技术行业——从电子消费品制造商，到制造芯片生产设备的厂商，以及中间的每一个环节——都保持着同样的进步速度。 Bell说，“摩尔法则创造了一个节拍器。”

摩尔法则设定了一个所有的公司都必须跟上的节奏，否则就要被甩在后面。摩尔说，“摩尔法则不是记载了行业的进步，而是推动了行业的进步。” 虽然他不认为这个法则会永远正确，但是芯片制造商似乎并没有放慢进步的速度。加州大学伯克利分校的微电子学教授Tsu-Jae King Liu说，“这是一个自验性的预言，所以它对于整个行业来说，就像一个法则一样。”

没有摩尔定律的生活

现在，每个人都认为，技术肯定会越来越发达，越来越快捷，越来越便宜。如果我们现在还没有性能足够强大的处理器来驱动无人驾驶汽车，再过一两年肯定就会有的。

如果没有摩尔法则，这样想当然的假设就不会实现了。如果没有一个统一的力量推动行业的进步，集成电路和元件可能还停留在几十年前的状态。

Valenzuela说，“这是一条指数曲线，如果没有摩尔定律，我们可能还处在这条曲线离起点不远的地方。我现在很高兴不需要再使用20世纪80年代那样的手机了。”

英特尔公司的Bell想象的则是一个更加可怕的没有集成电路的世界，所有的东西都是机械化的，智能手机甚至现代电话服务都不存在。她说，“互联网是根本不可能出现的。”

摩尔定律的意义

“摩尔定律”归纳了信息技术进步的速度。在摩尔定律应用的40多年里，计算机从神秘不可近的庞然大物变成多数人都不可或缺的工具，信息技术由实验室进入无数个普通家庭，因特网将全世界联系起来，多媒体视听设备丰富着每个人的生活。

由于高纯硅的独特性，集成度越高，晶体管的价格越便宜，这样也就引出了摩尔定律的经济学效益。在20世纪60年代初，一个晶体管要10美元左右，但随着晶体管越来越小，直到小到一根头发丝上可以放1000个晶体管时，每个晶体管的价格只有千分之一美分。据有关统计，按运算10万次乘法的价格算，IBM704电脑为1美元，IBM709降到20美分，而60年代中期IBM耗资50亿研制的IBM360系统电脑已变为3.5美分。

“摩尔定律”对整个世界意义深远。在回顾40多年来半导体芯片业的进展并展望其未来时，信息技术专家们认为，在以后“摩尔定律”可能还会适用。但随着晶体管电路逐渐接近性能极限，这一定律终将走到尽头。40多年中，半导体芯片的集成化趋势一如摩尔的预测，推动了整个信息技术产业的发展，进而给千家万户的生活带来变化。

摩尔定律前景

摩尔定律问世40年了。人们不无惊奇地看到半导体芯片制造工艺水平以一种令人目眩的速度提高。目前，Intel的微处理器芯片Pentium 4的主频已高达2G（即1 2000M），2011年则要推出含有10亿个晶体管、每秒可执行1千亿条指令的芯片。人们不禁要问：这种令人难以置信的发展速度会无止境地持续下去吗？

不需要复杂的逻辑推理就可以知道：芯片上元件的几何尺寸总不可能无限制地缩小下去，这就意味着，总有一天，芯片单位面积上可集成的元件数量会达到极限。问题只是这一极限是多少，以及何时达到这一极限。业界已有专家预计，芯片性能的增长速度将在今后几年趋缓。一般认为，摩尔定律能再适用10年左右。其制约的因素一是技术，二是经济。

从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。一旦芯片上线条的宽度达到纳米（10-9米）数量级时，相当于只有几个分子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，摩尔定律也就要走到它的尽头了。

从经济的角度看，正如上述摩尔第二定律所述，目前是20-30亿美元建一座芯片厂，线条尺寸缩小到0.1微米时将猛增至100亿美元，比一座核电站投资还大。由于花不起这笔钱，迫使越来越多的公司退出了芯片行业。看来摩尔定律要再维持十年的寿命，也决非易事。

然而，也有人从不同的角度来看问题。美国一家名叫CyberCash公司的总裁兼CEO丹·林启说，“摩尔定律是关于人类创造力的定律，而不是物理学定律”。持类似观点的人也认为，摩尔定律实际上是关于人类信念的定律，当人们相信某件事情一定能做到时，就会努力去实现它。摩尔当初提出他的观察报告时，他实际上是给了人们一种信念，使大家相信他预言的发展趋势一定会持续。

摩尔定律是由英特尔公司名誉董事长戈登·摩尔经过长期观察发现得出的结论，一开始被用于描述半导体制造领域的一种现象，即指集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。后来，摩尔定律被引入到其他高科技行业，用来形容技术快速发展带来的性能提高。

在光纤通信行业，密集波分复用技术（DWDM）曾经很好地诠释了摩尔定律。DWDM是一种关键的基础性网络技术，通过在一根光纤内传送多路平行的吉比特光信号，使带宽成本大幅降低，从而让宽带互联网得以普及。该技术还拥有传输距离远、延迟低的优点。随着网络传输量迅速增长，电信运营商希望能以更低的单位成本传送更多的信息，因此，DWDM在固定通信基础设施中的地位得以巩固并不断加强。从2003年到2007年，运营商在DWDM技术上的花费增长了将近两倍，2007年，全球在该技术设备上的支出达到58亿美元。

在过去的10年中，著名咨询机构Ovum公司使用一个网络带宽资本支出（capex）的计量公式，计算每秒钟在一公里长的距离内传输1GB信息量所需的成本。电信运营商一开始在每根语音线路上实现了64kbps的传输速率，后来每位用户使用成千上万兆的信息后，语音线路不堪重负，好在光纤技术出现了。设备供应商之间的竞争使得传输成本急剧下跌，1993年，DWDM技术出现前，每秒钟在一公里长的距离内传输1GB信息量的成本为2000美元，到2007年，该数字已经不足1美元，其发展速度已令摩尔定律失色。 DWDM技术从正式部署到今天已经有13年历史，但是，它目前却好像停止了曾经在电信发展史上创造过奇迹的指数级增长，步入了青春期的消沉。分析师指出，如果下一个5年内整个系统不出现指数级的扩张，那么DWDM的几何式增长也将难以维系。难道在光纤通信市场，摩尔定律的影响终结了吗？ 在过去的岁月中，DWDM的成功依赖于多样化的创新，例如光纤放大器和光分插复用器（OADM）等，还包括激光、测波器、过滤器等多种技术的进步以及各种系统软件的创新，他们都让系统获得了更高的容量，并提高了运营的灵活性。

残酷的竞争使得10G网络的成本不断降低，也迫使DWDM在13年里不断提高成本表现，尽管在此期间光纤系统的研发投资和元器件创新的投资都相对较低。同时，本世纪开始几年中，电信行业泡沫的破裂导致主要市场的支出锐减，整个行业都在疗伤。那段时间内对研发投资的削减带来的后果是：更具成本效益的40G技术的部署和商用被推迟了。

不过，市场最终还是选择了40G技术。最有可能在近期实现传输成本效益的指数级增长的就是40G网络技术，该技术提供的带宽是现有10G网络的4倍，而capex却只有四分之一，性能表现也丝毫不逊色。虽然Ovum咨询公司认为这种规模的成本削减在2012年前不太可能实现，但鉴于过去几年中对该项技术的投资剧增，奇迹还是有可能出现的。

2008年已经推出和即将推出的40G技术创新包括：北电网络研发的技术，提供了目前市场上最佳的性能，并有着向100G技术演进的清晰路线；Opvista技术，对推动40G技术在城域网中的使用有明显的优势；由Stratalight、Mintera和其他公司共同研发的标准化40G模块技术也取得了进展。光纤技术供应商Infinera公司也在努力通过40G技术创新解决成本、容量和传输距离之间的矛盾，预计将在今年晚些时候或明年发布新技术。

同时，网络运营商和设备供应商还将推动100G技术的创新，从而将延续DWDM的成功，并满足全球用户对通信服务越来越多的渴望。