[科普中国]-摩尔定律

摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

尽管这种趋势已经持续了超过半个世纪，摩尔定律仍应该被认为是观测或推测，而不是一个物理或自然法。预计定律将持续到至少2015年或2020年。然而，2010年国际半导体技术发展路线图的更新增长已经放缓在2013年年底，之后的时间里晶体管数量密度预计只会每三年翻一番。

发展历程1965年4月19日，《电子学》杂志（Electronics Magazine）第114页发表了摩尔（时任仙童半导体公司工程师）撰写的文章〈让集成电路填满更多的组件〉，文中预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。

1975年，摩尔在IEEE国际电子组件大会上提交了一篇论文，根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正，把“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”，而普遍流行的说法是“每18个月增加一倍”。但1997年9月，摩尔在接受一次采访时声明，他从来没有说过“每18个月增加一倍”，而且SEMATECH路线图跟随24个月的周期。

大抵而言，若在相同面积的晶圆下生产同样规格的IC，随着制程技术的进步，每隔一年半，IC产出量就可增加一倍，换算为成本，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。就摩尔定律延伸，IC技术每隔一年半推进一个世代。

摩尔定律是简单评估半导体技术进展的经验法则，其重要的意义在于长期而言，IC制程技术是以一直线的方式向前推展，使得IC产品能持续降低成本，提升性能，增加功能。

1998年时，台积电董事长张忠谋曾表示，摩尔定律在过去30年相当有效，未来10到15年应依然适用。

但最新的一项研究发现，“摩尔定律”的时代将会退出，因为研究和实验室的成本需求十分高昂，而有财力投资在创建和维护芯片工厂的企业很少。而且制程也越来越接近半导体的物理极限，将会难以再缩小下去。

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计算机为85美分，IBM709降到17美分，而60年代中期IBM耗资50亿研制的IBM360系统计算机已变为3.0美分。 摩尔定律的定义归纳起来，主要有以下三种版本：

集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一倍。

微处理器的性能每隔18个月提高一倍，或价格下降一半。

用一个美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两倍。

以上几种说法中，以第一种说法最为普遍，第二、三两种说法涉及到价格因素，其实质是一样的。三种说法虽然各有千秋，但在一点上是共同的，即“翻倍”的周期都是18个月，至于翻倍的是集成电路芯片上所集成的“电路的数目”，是整个“计算机的性能”，还是“一个美元所能买到的性能”就见仁见智了1。

发现背景早在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“整个半导体的工业键”，也是摩尔定律问世的技术基础。

1965年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”。在摩尔开始绘制数据时，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。摩尔的观察资料，就是后来的摩尔定律，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。

发现人物戈登·摩尔（Gordon Moore,1929-）：英特尔公司（Intel）的创始人之一。

1929年1月3日，戈登·摩尔出生在加州旧金山的佩斯卡迪诺。父亲没有上过多少学，17岁就开始养家，做一个小官员，母亲只有中学毕业。高中毕业后他进入了著名的加州伯克利分校的化学专业，实现了自己的少年梦想。

1950年，摩尔获得了学士学位，接着他继续深造，于1954年获得物理化学博士学位。

1965年，提出“摩尔定律”。

另一种说法

摩尔定律虽然以戈登·摩尔（Gordon Moore）的名字命名，但最早提出摩尔定律相关内容的并非摩尔，而是加州理工学院的卡沃·米德（Carver Mead）教授。

米德是最早关注到摩尔定律所提出的晶体管之类的产量增加，就会引起其价格下降现象的。米德指出，如果给定价格的电脑处理能力每两年提高一倍，那么这一价位的电脑处理装置同期就会降价一半。

定律验证广义验证

1975年，在一种新出现的电荷前荷器件存储器芯片中，的确含有将近65000个元件，与1965年摩尔的预言一致。另据Intel公司公布的统计结果，单个芯片上的晶体管数目，从1971年4004处理器上的2300个，增长到1997年PentiumII处理器上的7.5百万个，26年内增加了3200倍。如果按“每两年翻一番”的预测，26年中应包括13个翻番周期，每经过一个周期，芯片上集成的元件数应提高2n倍（0≤n≤12），因此到第13个周期即26年后元件数这与实际的增长倍数3200倍可以算是相当接近了2。

要素验证

摩尔定律

也有人从个人计算机（即PC）的三大要素微处理器芯片、半导体存储器和系统软件来考察摩尔定律的正确性。

微处理器方面，从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，功能越来越强，价格越来越低，每一次更新换代都是摩尔定律的直接结果。与此同时PC机的内存储器容量由最早的480k扩大到8M，16M，与摩尔定律更为吻合。

系统软件方面，早期的计算机由于存储容量的限制，系统软件的规模和功能受到很大限制，随着内存容量按照摩尔定律的速度呈指数增长，系统软件不再局限于狭小的空间，其所包含的程序代码的行数也剧增：Basic的源代码在1975年只有4，000行，20年后发展到大约50万行。微软的文字处理软件Word，1982年的第一版含有27，000行代码，20年后增加到大约200万行。有人将其发展速度绘制一条曲线后发现，软件的规模和复杂性的增长速度甚至超过了摩尔定律。系统软件的发展反过来又提高了对处理器和存储芯片的需求，从而刺激了集成电路的更快发展。

摩尔定律并非数学、物理定律，而是对发展趋势的一种分析预测，因此，无论是它的文字表述还是定量计算，都应当容许一定的宽裕度。从这个意义上看，摩尔的预言是准确而难能可贵的，所以才会得到业界人士的公认，并产生巨大的反响。

修正演化修正1975年，摩尔在国际电信联盟IEEE的学术年会上提交了一篇论文，根据当时的实际情况，对“密度每年一番”的增长率进行了重新审定和修正。按照摩尔本人1997年9月接受《科学的美国人》一名编辑采访时的说法，他当年是把“每年翻一番”改为“每两年翻一番”。实际上，后来更准确的时间是两者的平均:18个月。

演化**摩尔第二定律：**摩尔定律提出30年来，集成电路芯片的性能的确得到了大幅度的提高；但另一方面，Intel高层人士开始注意到芯片生产厂的成本也在相应提高。1995年，Intel董事会主席罗伯特·诺伊斯预见到摩尔定律将受到经济因素的制约。同年，摩尔在《经济学家》杂志上撰文写道：“令我感到最为担心的是成本的增加，…这是另一条指数曲线”。他的这一说法被人称为摩尔第二定律。

**新摩尔定律：**中国IT专业媒体上出现了“新摩尔定律”的提法，指的是中国Internet联网主机数和上网用户人数的递增速度，大约每半年就翻一番。而且专家们预言，这一趋势在未来若干年内仍将保持下去。

意义介绍“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。

发展前景摩尔定律问世已40多年，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。Intel的微处理器芯片Pentium4的主频已高达2GHz，2011年推出了含有10亿个晶体管、每秒可执行1千亿条指令的芯片。这种发展速度是否会无止境地持续下去是成为人们所思考的问题。

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尽头。

从经济的角度看，正如摩尔第二定律所述，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，越来越多的公司退出了芯片行业。

物理学家加来道雄（Michio Kaku）是纽约城市大学一名理论物理学教授，2012年接受采访时称摩尔定律在叱咤芯片产业47年风云之久后，正日渐走向崩溃。这将对计算机处理进程产生重大影响。在未来十年左右的时间内，摩尔定律就会崩溃，单靠标准的硅材料技术，计算能力无法维持快速的指数倍增长。
加来道雄表示导致摩尔定律失效的两大主因是高温和漏电。这也正是硅材料寿命终结的原因。加来道雄表示这与科学家们最初预测摩尔定律没落大相径庭。科学家应该能继续挖掘硅部件的潜力，从而在未来几年时间里维持摩尔定律的生命力；但在3D芯片等技术也都耗尽潜力以后，那么也就将达到极限。
各领域科学家以及产业分析师们都预测到了摩尔定律的失效。然而研究者们同时又提出，不断进步的芯片结构和部件使得摩尔定律依然有效。就连被称作“建立在摩尔定律之上”的Intel公司宣布随着采用纳米导线等技术的新型晶体管逐渐取代传统的半导体晶体管，已经进入“大叔”级别的“摩尔定律”，将不能继续引领电子设备发展的节奏。

基于摩尔定律的这种情况，业界提出了“More-Than-Moore”（简称MTM，即“超越摩尔定律”），试图从更多的途径来维护摩尔定律的发展趋势，并且从摩尔定律的“更多更快”，发展到MTM的“更好更全面”。摩尔定律在Logic类和Memory类的集成电路的发展中提出和得到验证，而MTM则适用于更多类型的集成电路，如Analog、RF、Image Sensor、Embedded DRAM、Embedded FLASH、MEMS、High Voltage等，通过改变基础的晶体管结构（SOI、FIN-FET），各类型电路兼容工艺，先进封装（晶圆级封装、SiP、3D多芯片封装）等技术，使一个系统级芯片能支持越来越多的功能，同样可以降低芯片的成本、提高电路的等效集成度。

专家预测毫无疑问，摩尔法则对整个世界意义深远。不过，随着晶体管电路逐渐接近性能极限，这一法则将会走到尽头。摩尔法则何时失效？专家们对此众说纷纭。早在1995年在芝加哥举行信息技术国际研讨会上，美国科学家和工程师杰克·基尔比表示，5纳米处理器的出现或将终结摩尔法则。中国科学家和未来学家周海中在此次研讨会上预言，由于纳米技术的快速发展，30年后摩尔法则很可能就会失效。2012年，日裔美籍理论物理学家加来道雄在接受智囊网站采访时称，“在10年左右的时间内，我们将看到摩尔法则崩溃。”前不久，摩尔本人认为这一法则到2020年的时候就会黯然失色。一些专家指出，即使摩尔法则寿终正寝，信息技术前进的步伐也不会变慢。

突破研究2012年10月28日，美国IBM研究所科学家宣称，最新研制的碳纳米管芯片符合了“摩尔定律”周期，依据摩尔定律，计算机芯片每18个月集成度翻番，价格减半。传统的晶体管是由硅制成，然而2011年来硅晶体管已接近了原子等级，达到了物理极限，由于这种物质的自然属性，硅晶体管的运行速度和性能难有突破性发展。

IBM公司的研究人员在一个硅芯片上放置了1万多个碳纳米晶体管，碳纳米晶体管的电子比硅质设备运行得更快。它们也是晶体管最理想的结构形式。这些优异的性能将成为替代硅晶体管的原因，同时结合新芯片设计架构，未来将使微型等级芯片实现计算机创新。

研究人员发现，电子被捕获进一个接口处具有一层氧化物或者金属的半导体后就很容易被抽进空气中，藏匿于该接口处的电子会形成一层电荷，而且该电子层内部的带电粒子之间的库伦排斥力也会使电子很容易从硅中释放出来。他们通过施加很少量的电压，有效地从硅结构中提取出了电子，随后再将电子置于空气中，使它们能在纳米尺度的通道内行进，而不会遇到任何的碰撞或者发生散射。

生物学应用2013年，科学家将摩尔定律应用到了地球生命复杂性的研究上，他们的结果显示，有机生命的存在时间远超过地球本身。研究者将摩尔定律中的晶体管换成了核苷酸——生命遗传物质的基础——将电路换成了遗传物质，进行数学计算。计算结果显示，生命最早出现在100亿年前，比地球45亿年的预测年龄古老得多。研究者称，在太阳系形成的时候，可能已经存在着类似细菌的生物体，或者一些存在于银河系古老区域的简单核苷酸，可能通过彗星、小行星或其他太空碎片来到地球。这一假说被称为有生源说，又称泛种论。有科学家认为，仍有生命以泛种论的方式进入地球3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学