假如将摩尔规则比为一个人，到本年他现已是个50岁的中年人了。在这五十年中电子工业遵从着摩尔规则获得了巨大的行进，可是在今日人们也会想知道摩尔规则是否现已过期，它还能不能习惯年代持续关于未来电子工业开展起到指导作用。在本文的上篇中咱们将回到上世纪60年代，看看摩尔是在什么样的年代背景与实践中提出了摩尔规则，发现摩尔规则中不被注重的另一面。
半个世纪前，一个名叫戈登摩尔的年青工程师仔细调查了他所在的新式职业，而且关于接下来十年中在这一职业里会发生的各项大事件做出了自己的猜测。这篇长达 4 页的猜测文章被刊登在 Electronics 杂志上，这位年青工程师猜测在未来会呈现家用核算机、移动电话以及具有自动驾驶体系的轿车。他在文章中猜测集成芯片上可包容的电子元件数量将每年安稳地增加一倍，这会使得集成芯片越来越经济实惠，而这也便是唆使他笔下那些奇思妙想的技能化为实践的动力。
在文章宣布十年之后，这一描绘集成芯片上电子元件指数式增加的「摩尔规则」并没有中止下来的痕迹。时至今日，摩尔规则在近五十年来的科技高速开展进程中贯穿一向，遵从着摩尔规则的现代科技为人们的日子带来了核算机、个人电子设备以及传感器。摩尔规则关于现代化日子的影响是难以估计的，假如没有集成芯片的不断开展，咱们坐不了飞机，打不了电话，甚至连洗碗机都用不了，更别提发现希格斯波色子与发明互联网了。
可是说到底，摩尔规则究竟是怎么影响了咱们的日子，它为什么能够获得这样的成果？摩尔说明晰技能行进是毋庸置疑且势不可挡的，仍是它只是反响了在一个特别时期中的技能开展情况？时至今日，咱们还能用摩尔规则来解说最近十几年核算机方面的技能行进与立异开展吗？
在我看来，摩尔规则的位置是毋庸置疑的。摩尔规则是年代的证明，它代表了人类的辛勤作业、聪明才智以及来自自由商场的鼓励。摩尔的预言在起先只是关于一个新式工业的简略调查总结，可是跟着时刻的推移，它现已成为了一种自我完成的预期。摩尔规则的完成是由千千万万立异公司与工程师们持续发明的成果，他们能够从摩尔规则中看出职业开展的潜力，而且尽心竭力去坚持技能上的领先位置，不然就会冒着落后于竞争对手的危险。
不过我也想说，尽管摩尔规则被无休止地套用在解说各类技能行进上，可是它并不只仅是一个简略的概念。摩尔规则的意义在这几十年的开展中经过了反反复复的改动，直到今日它依然在不断改动。假如咱们想要从摩尔规则中领会技能行进的实质以及从中猜测未来的开展，那就还需求进行深化地了解与调查。
在上个世纪 60 年代，其时硅谷还没有名满天下，年青的戈登摩尔在仙童半导体公司担任研制主管。在从肖克利半导体实验室出走之后，他与他人一同在 1957 年景立了这家公司。在这家公司中，他们一同完成了硅晶体管的前期研制作业。
仙童公司是其时为数不多的针对硅晶体管进行开发的公司，晶体管是一种可变电流开关，能够依据输入电压操控输出电流，并可用于核算和贮存数据。仙童公司很快就从中发现了利基商场。
在其时，大多数的电路是由单个晶体管、电阻、电容以及二极管衔接组成，它们被手动组装在一块电路板上。而在 1959 年，仙童公司的赫尔尼发明晰平面晶体管，代替了之前的台面晶体管。
有了这种平面晶体管，工程师就能够将多个晶体管布线互联在一同，装置在在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，制作出一种被称为「集成电路」的东西。德州仪器的杰克基尔比是集成电路方面的先驱者，他首要想到了电阻器和电容器 （无源元件） 能够用与晶体管 （有源器材） 相同的资料制作。摩尔的搭档罗伯特？诺伊斯则用实践显现了平面晶体管能够被用来制作集成电路， 经过给晶体管掩盖一层绝缘的氧化物涂层， 然后增加铝线去衔接不同的晶体管就能够完成。仙童公司将这种新的制作工艺投入到了首个硅集成电路的制作中，这种硅集成电路于 1961 年问世，刚刚开端只包括了 4 个晶体管。到了 1965 年，该公司现已能够制作出包括了 64 个电子元件的集成电路了。
有了这些前期常识的堆集，摩尔在 1965 年宣布的一篇论文中做出了斗胆的结论：集成电路代表了电子工业未来开展方向。这声明在今日看来当然是不言自明的，可是在其时那个年代却引起了争议。许多人都质疑摩尔的观念，以为集成电路不过是电子工业中的一个小小分支。
这些质疑是能够被体谅的，由于在其时集成电路的工艺比其他手艺电路板产品杂乱得多，而且也贵得多——从今日的核算视点来看，在其时集成电路的本钱高达 30 美元，而单个组件的本钱不到 10 美元。在那个年代，出产集成电路的公司寥寥无几，而他们真实的顾客也只需美国航空航天局以及美国军方。
不过让问题愈加杂乱的是其时的晶体管并不牢靠。据摩尔回想，在其时单个晶体管大约只能发挥出 10%-20% 的成效。当你将多个晶体管集成在同一块电路板上，尽管希望它能够发挥出最大的成效，但其实作用并不尽善尽美。之所以会呈现这种情况，是由于这种操作逻辑是有缺点的。尽管有 8 个晶体管被集成在同一块电路板上，实践上它们并不能发挥出全体的作用，其作业作用仍是同等 8 个独立的晶体管。这是由于每个晶体管发生毛病的概率是独立的，且这种毛病是随机呈现的，比方飞溅的油漆就能让晶体管失效。假如两个相邻的晶体管中有一个发生了毛病，那这两个晶体管就会一起停工。因而也便是说当把两个晶体管衔接在一一起，就要冒着一损俱损的危险。
尽管面对种种困难，摩尔依然深信集成电路总有一天会被证明是一种经济实惠的挑选。在他 1965 年宣布的论文中，摩尔为了证明集成电路将具有光亮的未来，将仙童公司的第一代平面晶体管以及后续出产的一系列集成电路作为参照，构建了一个对数模型。在该模型中，他发现跟着时刻开展，每年集成电路上的元件数量就会增加一倍。
经过在模型中加上一条小小的趋势线，摩尔做出了一个斗胆的揣度：这种增加趋势将持续 10 年。到了 1975 年，他又猜测人们将亲眼目睹集成电路上的元件数量从 64 增加到 65000(＄934.4500)。这个猜测现已适当挨近实践。在 1975 年时，英特尔公司预备出产的电荷耦合（CCD）内存芯片上就现已包括了 32000(＄0.1292) 个元件，只需经过一年的开展，其成果就会与摩尔的猜测适当挨近。而这家英特尔公司正是在 1968 年摩尔与诺伊斯、葛罗夫脱离了仙童公司后建立的。
摩尔规则被忽视的内容
当咱们回忆摩尔这篇重要的论文时，会从中发现一些被人忽视的细节。首要，摩尔的猜测针对的是集成电路上的电子元件数量，而不不只仅是晶体管，电子元件中还包括了电阻、%&&&&&%和二极管。在开展初期，集成电路中的电阻比晶体管还多。而后来当金属氧化物半导体场效应晶体管呈现之后，集成电路上晶体管之外的电子元件所需越来越少，这也就意味着数字年代开端了。晶体管在集成电路中起到了主导作用，而关于集成电路杂乱性的衡量则主要依据它所包括的晶体管数量。
这篇文章还提醒了摩尔关于集成电路所带来的经济效益的重视。在摩尔规则中所说的电子元件的数量，并不是指芯片上所包括的最大元件数量或许均匀数量，而是指每个元件的本钱都能到达最小时集成芯片上能够包括的元件数量。摩尔心里理解，在一个集成电路上所能够放置的元件数量并不是越多越好，多并不一定代表着便是经济实惠的挑选。在每一代芯片制作技能开展进程中，集成电路中的元件数量都有着契合其时实践情况的最佳平衡点。跟着你往集成电路上增加越来越多的元件，分摊到每一个元件上面的本钱是下降了，可是一旦这个数量超过了特定值，企图往集成电路中增加更多的晶体管就会使得缺点呈现的或许性增加，并下降了可用芯片的收益。只需超过了这个特定值上，每个元件的本钱就会开端增加。开展到今日，集成电路规划与制作的方针依然是将其电子元件操控在最佳平衡点上。
事实上，我并不以为摩尔规则在今日现已不能猜测实践了，我以为摩尔规则再次处于一个改造的边际。
芯片制作技能现已获得了长足的行进，最佳平衡点也随之不断行进，集成电路上的元件数量越来越多的一起其制作本钱也在下降。在曩昔的 50 年中，晶体管的制作本钱现已从 30 美元下降到了今日简直不要钱的境地。我想即便是摩尔自己，或许也没有预见到晶体管的本钱会有到如此巨大的改动。可是在 1965 年时，他就现已知道到集成电路不会一向这么价格昂扬，会有高功用且廉价的组件关于现有的元件进行代替，集成电路的开展趋势是成为功用好、价格低的产品。
摩尔规则的三大要素
咱们回忆了上世纪60年代摩尔规则被提出的年代背景与半导体职业的开展实践，在下面咱们将知道影响摩尔规则的三大要素，了解摩尔规则1.0的「扩容」与摩尔规则2.0的「减缩」都是怎么回事。在经过五十年的开展后，摩尔规则今日现已进入3.0年代，或许在不久的将来它会推出前史的舞台，可是它留下来的光芒遗产将会一向影响半导体职业的开展。
在摩尔规则被提出十年之后的 1975 年，戈登摩尔从头审视了此前他做出的猜测，而且做出了批改。在 1975 年的 IEEE 国际电子设备大会上，摩尔关于此处批改往后的规则做出了解说，其切入点便是回答集成芯片上的元件是怎么完成翻倍这一存在于人们心中的疑问。摩尔指出有三个要素导致了这一趋势：不断缩小的元件体积，不断增加的芯片面积以及「工程才智」，也便是说工程师们能够削减集成芯片上晶体管之间无用的空间。
摩尔以为之所以摩尔规则能够不断被实践所证明，有一半要归功于前两种要素，其他则满是「工程才智」的劳绩。可是摩尔表明一旦英特尔公司所出产的 CCD 内存投入商场之后，工程才智或许就不再那么需求了。在 CCD 内存中，一切的元件摆放的非常严密，它们之中将不再见存在被糟蹋的空间。因而摩尔再次猜测跟着晶体管越来越小，集成芯片越来越大，集成芯片上的元件数量翻倍增加所用的时刻将会越来越少。在 1965 年时他曾猜测这个数量会每两年增加一倍，现在他将这个速度批改到了每年增加一倍。
不过具有挖苦意味的是，由于 CCD 内存被证明很简略犯错，所以英特尔公司根本就没有发行该产品。可是摩尔的猜测却在逻辑芯片、微处理器的开展中得到了证明，从上世纪七十年代初期开端，这些芯片就现已按照了每两年所包括元件翻一番的速度在开展。而包括了大规模相同晶体管的内存芯片其开展速度就更快了，现已到达了每隔十八个月其包括元件就翻一番的速度，到达这一增加快度大部分要归于其规划工艺更为简略。
在影响摩尔规则完成的三个要素中，有一个要素是需求特别对待的，那便是缩小晶体管的尺度。至少在可见的一段时刻范围内，缩小晶体管的尺度是有必要为之的，在这个问题上不存在权衡问题。依据 IBM 工程师 Robert Dennard 提出的缩放份额规则（译者注：缩放份额规则，跟着芯片上晶体管数量的增加，功率密度有必要坚持不变），新一代的晶体管总是在不断行进。尺度减缩的晶体管不只仅是的集成电路能够包括更多的元件，一起也让晶体管自身作业的更快、耗能更少。
晶体管的尺度问题直接影响到了摩尔规则是否能持续发挥作用，在不断开展的进程中，针对晶体管发生了天壤之别的处理办法。在被咱们成为摩尔规则 1.0 的前期阶段中，集成芯片的功用想要有所行进，一般需求依托「扩容」——也便是在芯片上增加更多的电子元件。起先，想要完成这一方针看上去比较简略，只需将包括了电子元件的各类使用程序进行牢靠且廉价的打包起来就行。可是这种做法的成果是使得集成芯片变得越来越大，也越来越杂乱。在上世纪 70 年代初期，为了处理这一问题，微处理器诞生了。
不过在曩昔的几十年中，半导体职业的长足行进主要是由摩尔规则 2.0 推进的。这个阶段被人们称作「减缩」，也便是说在集成芯片上所包括的晶体管数量不变的情况下，缩小晶体管的尺度而且下降其制作本钱。
尽管摩尔规则 1.0 年代与 2.0 年代在时刻上有所重合，可是在半导体工业的开展进程中能够看出「减缩」比较「扩容」是逐步占有了主导位置。在上世纪 80 年代到 90 年代初期，半导体技能就开展到了一个要害「节点」上，咱们将这一开展时期称为「RAM 年代」，在 1989 年呈现了 4M DRAM，而到了 1992 年 16-MB DRAM 也呈现了。每一次进化都意味着集成芯片的作业能力变得更强壮，由于在不增加本钱的情况下单个芯片中所能包括的晶体管变得越来越多。
在上世纪 90 年代初期，咱们开端更多地依托「减缩」来改造晶体管。挑选这条开展路途是很自可是然的，由于大多数的芯片不再需求尽或许多地包括晶体管。集成电路在此刻现已开端被大规模地运用于轿车、电子设备甚至是玩具之中，正由于如此，为了行进%&&&&&%的功用而且下降制作本钱，怎么减小晶体管的尺度现已成为了要害问题。
终究，即便技能答应，微处理器的体积也不再像之前相同不断扩大。尽管现在的制作技能现已能够完成在逻辑芯片上安放 100 亿个晶体管，可是在实践之中很少有集成芯片会到达这一数值。这在很大程度上来说，是由于集成芯片的规划现已跟不上了。
摩尔规则 1.0 至今依然运用在图形处理器、现场可编程器材以及针对少量超级核算机的微处理器中，可是除此之外，摩尔规则 2.0 现已占有了控制位置。不过期至今日，这个规则持续在发生改动。
改动正在发生
这种改动其完成已开端了，由于晶体管小型化所带来的优点正逐步削减。这个趋势呈现在 2000 年左右，在那时一种令人并不愉快的实践逐步显现出来。在其时，晶体管的尺度现已开端缩小到 100 纳米以下，依据 Dennard 此前提出的缩放份额规则，减缩规则现已到达了极限。晶体管的体积变得如此细小，这使得电子设备即便在封闭时也会漏电，这不只让电子设备耗能严峻，也下降其牢靠性。尽管人们运用新资料和新的工艺办法来处理该问题，可是工程师们为了坚持集成芯片的功用，仍是不得不中止了大幅度下降每个晶体管电压的做法。
由于缩放份额规则现已不再适用，是否要持续缩小晶体管尺度就需求权衡了。让晶体管体积变得更小，不再意味着其运作功率有所行进。事实上，在今日想要像以往相同缩小晶体管一起让其坚持相同的运作速度与功耗是好不简单的。
正由于如此，在近十年以来，摩尔规则更多重视的是本钱问题而不是功用问题，别忘了，咱们之所以要将晶体管变得更小仍是为了让它更廉价。这并不是说现在的微处理器不如 5 年或许 10 年前产品的功用好。尽管针对集成芯片的规划工艺不断行进，可是功用方面的行进大部分仍是源于更为廉价的晶体管所带来的多核集成。
集成芯片的本钱问题越来越有目共睹，这也是摩尔规则中重要且不被人留意的方面：跟着晶体管越变越小，咱们能够年复一年坚持用硅晶片制成的每平方厘米的集成芯片本钱不变。摩尔推算出制作 1 英亩（约 4046 平方米）巨细的集成芯片大约要花费 10 亿美元，不过芯片制作商很少在核算本钱时会用面积做为参阅规范。
在近十年来，想要让硅晶片的本钱坚持不变开端变得困难。由于想要其价格坚持不变，就需求有安稳的产值来支撑。在上世纪 70 年代硅晶片在集成芯片中的本钱中只占 20% 左右，而现在现已行进到了 80%-90%。硅晶片是一种圆形的硅资料，能够被切割成芯片。大规模出产使得制作硅晶片所需的多个如掺杂和蚀刻这样的工序本钱下降。更为重要的是，设备出产率大幅行进了。由于出产工具与出产工艺的行进，硅晶片在制作速度行进的一起其功用也得到了行进。
有三个要素决议了这一实践：不断行进的产值、更大的硅晶片以及不断行进的设备出产力。这一切使得芯片制作商在近十年来能够制作出电子元件散布密度越来越大的集成芯片，而且能够经过下降晶体管的价格来坚持出产本钱不变。不过期至今日，这个开展趋势也行将走到止境，由于蚀刻工艺变得越来越贵重。
在曩昔的十年中，针对硅晶片的光刻工艺变得越来越杂乱，这使得硅晶片的制作本钱不断行进，其本钱增加快度大约是每年行进 10%。不过由于与此一起晶体管的体积每年约缩小 25%，针对每个晶体管来看其本钱是下降了，可是在同一时刻中整体制作本钱的增加快度超过了晶体管的本钱下降速度。因而，下一代的晶体管将比曩昔的更贵。
假如光刻本钱持续快速增加，咱们所熟知的摩尔规则将很快走到结尾。现在现已呈现了一些这样的痕迹。在今日先进的芯片一般运用了沉溺式光刻技能，浸入式技能运用长波紫外线光经过液体介质后光源波长缩短来行进分辨率。人们想要运用短波紫外线来对该技能进行改造，其时估计该技能能够在 2004 年投入运用，可是实践上其进入实践运用的时刻一向被推延。这就使得芯片制作商不得不转而持续研制能够行进功用的两层图形形式，可是比较单一图形模它所消耗的制作时刻也增加了 1 倍。芯片制作商还在企图开宣布三重或许四重图形形式，这当然会进一步行进出产本钱。几年后当咱们回忆 2015 年，将发现或许正是从这一年开端，晶体管的制作本钱不再持续下降，而是不断攀升。
回忆了摩尔规则五十年来的开展，展望未来，半导体职业的立异还将持续，不过这种立异很或许并不是体系性地下降晶体管的本钱，而是在集成方面获得新开展：在一个独自芯片上调集各种不同的功用以下降体系本钱。这听上去很像是摩尔规则 1.0 的年代的逻辑，可是在这种情况下咱们并不是只是将不同逻辑的芯片调集在一同成为一块更大的芯片，而是将在前史上一向独立于硅片之外的非逻辑功用参加其间。
在这方面的前期测验便是现代手机中的摄像头功用，它经过硅穿孔将一个图画传感器直接调集到数字信号处理器上。在这之后还会呈现更多此类比方。集成芯片的规划者们现已开端探究怎么关于微机电体系进行集成，这种技能一旦完成将能够制作出微型加快计、陀螺仪甚至继电器逻辑。这相同适用于制作能够进行生物测定与环境测验的微流体传感器。
一切这些技能都将运用户能够直接经过数字 CMOS 来衔接外部，模仿这个国际。假如这种新的传感器和制动器能够以较低本钱大规模出产，将会带来巨大的经济效益。
这个被称作摩尔规则 3.0 的阶段以及半导体工业的其他立异开展或许会发生「逾越摩尔」的作用，可是或许并不经济实惠。将非规范化电子元件集成到一个芯片之中或许会带来许多令人兴奋的成果，比方发明新产品或许是增加新的功用。可是这种开展并不是有规则可循的，咱们无法对其成功的路线图进行猜测。
由此看开，电子工业的行进路途将会愈加错综复杂。在今日为一个芯片增加一个新功用或许会为公司带来经济收益，可是谁也不能确保在明日为芯片增加另一个功用还能带来更多的报答。毋庸置疑，关于许多半导体职业现有的公司来说这种改变进程会是非常苦楚的，输赢成果到现在还不能下结论。
不过我依然以为摩尔规则 3.0 是这个年代中最让人激动的规则。一旦咱们得到像曩昔相同简略量化的目标，咱们将看到赋有发明力的使用程序爆破性地增加：仿生操作将于身体无缝对接，手机能够检测空气质量与水体质量，微型传感器将能从周边环境获取能量自给自足，还有许多咱们幻想不到的使用将会呈现在日子中。摩尔规则或许会逐步退出前史舞台，可是它的遗产将会在很长时刻里边持续推进咱们向前开展。
