八、神奇的預言家——戈登·摩爾和“摩爾定律”

在晶體管發(fā)明人、諾貝爾獎獲得者肖克萊的八位“得意門生”和“天才叛徒”中，摩爾（Gordon E．Moore）并不是最顯赫的一位，因為在這八人中集成電路的發(fā)明人諾伊斯、半導體平面技術(shù)的發(fā)明人霍厄尼，他們在技術(shù)創(chuàng)新上的成就與貢獻顯然比摩爾大。但是，摩爾以他對IT技術(shù)發(fā)展所作出的精確而長期有效的預測即“摩爾定律”（Moore’s law）證明了自己無與倫比的科學天才，并贏得了世人的尊敬，圖2-12為戈登·摩爾。

圖2-12　戈登·摩爾

摩爾1929年1月3日生于美國加利福尼亞州舊金山，其父是當?shù)匾粋€縣的行政司法長官。念中學時，摩爾培養(yǎng)了對化學的興趣，立志做一名化學家。后來他果然考上加利福尼亞大學并取得了化學學士學位（1950年），后來又到加州理工學院（CIT）深造，于1954年取得化學與物理的博士學位。學成以后，他先在霍普金斯大學從事應用物理實驗室從事紅外吸收和火焰分光的工作并取得一些成績，但這些工作離工程應用較遠。當時，正好肖克萊在硅谷的半導體實驗室開張，急需人才，摩爾被肖克萊看中，成了“博士生產(chǎn)線”中的一員，后來的事就為人們所熟知了。以摩爾和諾伊斯為首的八個年輕人離開他們的恩師肖克萊創(chuàng)辦了仙童公司，由諾伊斯任總經(jīng)理，摩爾任技術(shù)部經(jīng)理，后執(zhí)掌研發(fā)部，在諾伊斯發(fā)明集成電路的過程中起到了十分重要的作用。作為一名物理化學家，有關(guān)集成電路的一些最初的概念和思想是由摩爾提出的，集成電路芯片制造工藝中的一些關(guān)鍵技術(shù)也是摩爾解決或幫助解決的。諾伊斯多次坦言，摩爾是他在發(fā)明集成電路中的主要合作者。

1959年諾伊斯和基爾比同時獨立地發(fā)明集成電路以后，一方面集成電路技術(shù)本身發(fā)展十分迅速：1961年電阻耦合邏輯的集成電路RTL（Resistor Transistor Logic）和半導體二極管耦合邏輯的集成電路DTL（Diode-Transistor Logic）率先投入市場；1963年，賓夕法尼亞大學發(fā)明了晶體管耦合邏輯集成電路TTL（Transistor-Transistor Logic），摩托羅拉公司則發(fā)明了發(fā)射極耦合的ECL邏輯集成電路（Emitter-Coupled Logic），至此，雙極集成電路工藝正趨成熟。與此同時，單極集成電路技術(shù)也很快發(fā)展起來。所謂單極集成電路，就是以場效應三極管為器件的金屬氧化物半導體MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）集成電路。1962年，美國無線電公司（RCA）的霍夫斯坦（S．Hofstein）和海曼（F．P．Heiman）率先研制出以空穴為載流子的p溝MOS集成電路，即所謂pMOS。以后，以電子為載流子的n溝MOS即n MOS以及互補型MOS即CMOS集成電路也相繼問世，它們各有所長，互相競爭，使集成電路工業(yè)呈現(xiàn)出一派興旺發(fā)達和繁榮的景象。另一方面，集成電路的應用也在日新月異地發(fā)展，從助聽器、電子手表、玩具、計算器直至大型電子計算機，都紛紛推出采用集成電路的新產(chǎn)品。1964年，IBM公司宣布其劃時代的360系列計算機，更是集集成電路之大成的大手筆。在這種情況下，恰逢著名的《電子學》（Electronics）雙周刊為紀念其創(chuàng)刊35周年而出版了一期特刊，特刊除了對電子學的發(fā)展與應用作了回顧外，還開辟了一個“專家展望未來”（The Experts Look Ahead）專欄，約請一些專家對電子學的發(fā)展做一些預測。時任仙童公司研發(fā)實驗室主任的摩爾應邀寫了一篇文章，題為“在集成電路中塞進更多的元件”（Cramming more components onto integrated circuits）。正是在這篇文章中，摩爾提出了他的著名的定律。摩爾認為，集成電路芯片上晶體管的數(shù)目（也就是集成度）將逐年翻番。具體而言，集成度可以表示為以2為底、冪為自然數(shù)的指數(shù)形式。如圖2-13所示就是摩爾文章中所給出的預測圖形。據(jù)此，摩爾明確預測，到1975年時集成電路上的元件數(shù)將達到65 000。果不其然，1975年64KB RAM芯片問世，而所謂64KB的精確值正是65536，即2¹⁶。這使摩爾預言名噪一時，并從此把它稱為“摩爾定律”。

圖2-13　摩爾定律的原稿，顯示出晶體管密度將每年增加一倍

64KB RAM之后，集成電路的集成度未能每年翻一番，而是每兩年翻一番，但仍然按幾何級數(shù)規(guī)律增長。其實摩爾早已估計到了這一情況，在那篇文章中，摩爾明確指出，每年翻一番的規(guī)律將至少保持10年，就長期而言，增長率還不能肯定（見Electronics，1965年4月19日）。因此，后來摩爾修改了自己的定律，先把翻番的周期定為2年，以后又改為這兩者的平均值：一年半。至今，摩爾定律已神奇地靈驗了三十多年，使人們對摩爾的預見性驚嘆不已。

顯然摩爾本人是這個定律的最大受益者之一，因為他看準了就馬上開始行動，于1968年7月與別人一起創(chuàng)立了Intel公司，擔任執(zhí)行副董事長，于1975年出任董事長和CEO，1979年4月出任董事會主席和CEO，一直到1987年，才專職董事會主席，而后則為董事會名譽主席。

摩爾定律是一個人們津津樂道的歷史傳奇，在摩爾作出這個預言的1965年，只能做到在單塊芯片上面集成30個晶體管，而今天呢，在一個邏輯芯片上面，可以集成好幾億個晶體管，在一個存儲芯片上面，還可以集成更多的晶體管。這就是摩爾定律的效果。2000年12月，在舊金山舉行的國際電子設(shè)備會議上，Intel公司宣布開發(fā)出了大小僅為30nm、厚度僅為3個原子層的CMOS晶體管，再一次取得了重大技術(shù)突破。Intel公司的技術(shù)和制造部副總裁兼總經(jīng)理Sunlin Chou博士指出，研究者大膽地向所謂芯片極限進行挑戰(zhàn)，不斷證明了摩爾定律的正確性。有專家指出，基于這一進展，摩爾定律的有效性可望延伸到2020年。然而，僅僅過了半年，即2001年6月9日，Intel公司又宣布他們已在實驗室中研制出尺寸僅為20 nm即0.02μm的晶體管，從而使微處理器芯片有望在2007年達到10億個晶體管 （奔騰Ⅳ只有4 200萬個晶體管，1.7 GHz）。

除了對IT技術(shù)的發(fā)展作出如此精確和長期有效的預測以外，摩爾在Intel公司的經(jīng)營方向和發(fā)展戰(zhàn)略上的遠見和果斷決策，對Intel公司成為業(yè)界霸主起到了決定性作用。20世紀80年代，日本的半導體工業(yè)迅速崛起，尤其是它的存儲器芯片猛烈地沖擊了世界市場，其中也包括美國市場，Intel公司面臨巨大挑戰(zhàn)。在這種情況下，經(jīng)過長達幾個月的思想斗爭和反復權(quán)衡，摩爾和葛魯夫一起終于下定決心，于1985年宣布Intel公司退出存儲器芯片業(yè)務，全面轉(zhuǎn)向處理器生產(chǎn)。正是這一“以守為攻”的策略，使Intel公司從痛苦的蛻變中走向新生。

摩爾在仙童公司和英特爾公司歷任要職，1989年眼看接班人葛魯夫已經(jīng)成熟，才從Intel主席的崗位上光榮退休，把責任交給了葛魯夫，自己則有了更多的時間去從事他的業(yè)余愛好：去深海釣鮭魚。他自認為自己只是“偶然當上了企業(yè)家”（An accidental entrepreneur）。而作為一名出色的科學家和企業(yè)家，摩爾曾經(jīng)獲得過許多榮譽和獎勵，1976年當選為美國工程院院士，1978年同時獲得AFIPS的Harry Goode獎和IEEE的McDowell獎；1979年IEEE又授予他Frederick Philips獎；1980年被IEEE命名為首批計算機先驅(qū)；1985年獲得美國金屬協(xié)會ASM的“促進研究獎章”（Metal for the Advancement of Research）；1986年與諾伊斯一起獲得IEEE的“計算機企業(yè)家獎”（Computer Entrepreneur Award）；1988年獲得美國工程院的“創(chuàng)始者獎”（Founders Award）；1990年布什總統(tǒng)親自授予他“全美技術(shù)獎”（National Medal of Technology）。他最近獲得的一個榮譽是1997年被IEEE授予的“創(chuàng)始者獎章”（Founders Medal）。

2001年5月24日，摩爾正式退出Intel公司董事會，因為他親自規(guī)定董事的退休年齡是72歲，他自己也要執(zhí)行。這雖然標志著一個時代的結(jié)束，但人們不會忘記這位將年收入只有2500美元的小公司變成年收入380億美元的大企業(yè)的領(lǐng)頭人。

在震驚全世界的“911事件”以后，關(guān)于摩爾有兩個引人注目的消息，一是2001年10月28日，摩爾宣布在十年內(nèi)向母校加州理工學院捐資6億美元作為科研基金，這使CIT現(xiàn)有的基金總額一下子翻了一番，同時這也創(chuàng)下了美國私人向一所學校捐款的最高記錄；二是2001年12月，白宮宣布布什總統(tǒng)將建立一個20人左右的總統(tǒng)科技顧問委員會，并宣布了第一批聘用者名單，摩爾名列其中?？磥?，布什總統(tǒng)希望利用摩爾長期管理Intel公司的成功經(jīng)驗，幫助美國政府改進有關(guān)技術(shù)方面的決策，以重振美國經(jīng)濟。

英特爾公司創(chuàng)始人之一戈登·摩爾以“摩爾定律”而聞名天下，四十多年里，半導體芯片的集成化趨勢一如摩爾的預測，推動了整個信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進而給千家萬戶的生活帶來了變化。事實證明，摩爾的預言是準確的。盡管這一技術(shù)進步的周期已經(jīng)從最初預測的12個月延長到如今的近18個月，但“摩爾定律”依然有效。目前最先進的集成電路已含有17億個晶體管，“摩爾定律”歸納了信息技術(shù)進步的速度。在“摩爾定律”描述的這四十多年里，計算機從神秘不可近的龐然大物變成多數(shù)人都不可或缺的工具，信息技術(shù)由實驗室進入無數(shù)個普通家庭，因特網(wǎng)將全世界聯(lián)系起來，多媒體視聽設(shè)備豐富著每個人的生活，這一切背后的動力都是半導體芯片。如果按照舊有方式將晶體管、電阻和電容分別安裝在電路板上，那么不僅個人電腦和移動通信不會出現(xiàn)，而且從基因組研究到計算機輔助設(shè)計和制造等新科技更不可能問世。

“摩爾定律”還帶動了芯片產(chǎn)業(yè)白熱化的競爭，在紀念這一定律發(fā)表40周年的集會上，作為英特爾公司名譽主席的摩爾說：“如果你期望在半導體行業(yè)處于領(lǐng)先地位，你無法承擔落后于摩爾定律的后果。”從昔日的仙童公司到今天的英特爾、摩托羅拉、AMD公司等，半導體產(chǎn)業(yè)圍繞“摩爾定律”的競爭真像大浪淘沙一樣激烈，英特爾公司的CPU產(chǎn)品就嚴格遵循摩爾定律發(fā)展，如圖2-14所示，Intel公司的微處理器產(chǎn)品如表2-1所示。

毫無疑問，“摩爾定律”對整個世界意義深遠。在回顧四十多年來半導體芯片業(yè)的進展并展望其未來時，人們不無驚奇地看到半導體芯片制造工藝水平以一種令人目眩的速度提高，圖2-15是64M存儲器芯片與曲別針尺寸的比較。不需要復雜的邏輯推理就可以知道：芯片上元件的幾何尺寸總不可能無限制地縮小下去，這就意味著，總有一天，芯片單位面積上可集成的元件數(shù)量會達到極限。信息技術(shù)專家們認為，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，“摩爾定律”何時失效則眾說紛紜。

圖2-14　英特爾公司嚴格遵循的摩爾定律

表2-1　按照摩爾定律發(fā)展的Intel公司微處理器產(chǎn)品

美國惠普實驗室研究人員斯坦·威廉姆斯說，到2010年左右，半導體晶體管可能出現(xiàn)問題，芯片廠商必須考慮替代產(chǎn)品。英特爾公司技術(shù)戰(zhàn)略部主任保羅·加吉尼則認為，2015年左右，部分采用了納米導線等技術(shù)的“混合型”晶體管將投入生產(chǎn)，五年內(nèi)取代半導體晶體管。還有一些專家指出，半導體晶體管可以繼續(xù)發(fā)展，直到其尺寸的極限——4～6nm之間，那可能是2023年的事情。

圖2-15　64 MB DRAM尺寸

2002年11月美國《財富》雜志采訪摩爾先生時，年已古稀的摩爾先生說：“開始時公司并沒有把“摩爾定律”作為一個驅(qū)動力來看待，說老實話，我是直到10～15年前才啟齒用“摩爾定律”來稱呼它的……起初，我們僅僅是想盡快推進技術(shù)的發(fā)展，但后來發(fā)現(xiàn)，發(fā)展幾乎總是沿著同一條曲線前進。要說我們真正地刻意按照定律推動技術(shù)朝此方向發(fā)展，那是從最近幾代技術(shù)才開始的?！?/p>

這表明芯片工業(yè)一開始就比較準確地遵循著這條定律的軌跡發(fā)展著。盡管當今這一技術(shù)進步的周期更接近18個月，但“摩爾定律”依然有效?；旧希澳柖伞币训韧诩夹g(shù)的創(chuàng)新，以及不斷地創(chuàng)造出新的功能與使用模式。

印制電路板——cm量級

集成電路芯片——mm量級

集成電路中的晶體管——μm量級

納米管場效應晶體管——nm量級納

納米操縱——原子量級（A）

圖2-16 “摩爾定律”指導下的不斷細微化過程

圖2-16是“摩爾定律”中指導下的不斷細微化過程，從圖中可以看出，集成電路特征尺寸總是在摩爾定律的指引下不斷縮小。那么，為什么會有這樣的規(guī)律呢，不斷細微化的驅(qū)動力又是什么呢？實際上，隨著尺寸的不斷縮小，集成電路的芯片尺寸下降，硅圓片的一次加工能得到更多的芯片，而且成品率也大大提高，使得生產(chǎn)廠家的成本不斷下降；另一方面，尺寸的不斷縮小使得集成電路性能大大提高，體現(xiàn)在速度增加和功耗下降上，用戶能得到更好的產(chǎn)品。這兩方面的原因使得集成電路特征尺寸總是在摩爾定律的指引下不斷縮小，如表2-2所示。

表2-2　半導體發(fā)展計劃（SLA 1999年版）

必須指出，摩爾定律并不是科學界或自然界的一個定律，它只是一種經(jīng)驗的總結(jié)，描述了由不斷改進的半導體工藝所帶來的一個指數(shù)級增長的獨特的發(fā)展趨勢。專家們預言，隨著半導體晶體管的尺寸接近納米級，不僅芯片發(fā)熱等副作用逐漸顯現(xiàn)，電子的運行也難以控制，半導體晶體管將不再可靠?！澳柖伞笨隙ú粫谙乱粋€40年繼續(xù)有效。不過，納米材料、相變材料等新進展已經(jīng)出現(xiàn)，有望應用到未來的芯片中。到那時，即使“摩爾定律”壽終正寢，信息技術(shù)前進的步伐也不會變慢。

然而，也有人從不同的角度來看問題。美國一家名叫Cyber Cash公司的總裁兼CEO丹·林啟說：摩爾定律是關(guān)于人類創(chuàng)造力的定律，而不是物理定律。持類似觀點的人也認為，“摩爾定律”實際上是關(guān)于人類信念的定律，當人們相信某件事情一定能做到時，就會努力去實現(xiàn)它。摩爾當初提出他的觀察報告時，他實際上是給人們一種信念，使大家相信他預言的發(fā)展趨勢一定會持續(xù)。