2023年3月24日，美国科学家，企业家戈登·摩尔去世，享年94岁。至此，从肖克利博士手下出走的仙童“八叛徒”全部作古，属于他们的时代终结了，但他们带给人类的珍贵财富却令他们永垂不朽。
戈登·摩尔，一位真正的“大佬”，人类科技发展的推进者，影响整个计算机行业的巨匠。摩尔定律作为摩尔先生最伟大的成就，不仅推动了计算机技术的快速发展，使计算机走向更广泛的应用，还在无形中对人类科学发展产生了深远的影响。
“叛徒”带头“卷”芯片
故事要从贝尔实验室的威廉·肖克利说起。这位科学家在贝尔实验室与其他人共同发明了晶体管，并获得诺贝尔物理学奖。为了赚更多钱，肖克利在1955年创办了自己的实验室——肖克利半导体实验室。实验室坐落于美国加州的帕洛阿尔托。
你可能对这个城市有点陌生，但这里曾经孵化过许多巨头公司，如今仍然是很多公司的总部所在地，它有一个更家喻户晓的称呼——硅谷。
肖克利是位非常优秀的物理学家，但他没有丰富的商业经验和优秀的管理能力，公司仅仅创立6个月，很多员工就对他产生了极大不满。1957年9月18日，罗伯特·诺伊斯伙同7位肖克利半导体实验室的同事集体向肖克利递上辞职信。
肖克利当时大发雷霆，将这8位年轻人痛斥为忘恩负义的叛徒，这就是“仙童八叛徒”的由来。当时肖克利没想到的是，这几个人会在未来成为硅谷的传奇，后来就连肖克利本人也改口把他们称为“八个天才的叛逆”。
“八叛徒”离开肖克利后就创立了大名鼎鼎的仙童半导体公司。仙童这一名字与硅谷紧紧相连，毫不夸张地说，仙童半导体公司的创立标志了硅谷的诞生。
1968年，由于仙童半导体公司快速发展带来的一系列问题，历史又一次重演。摩尔叛离了仙童，与集成电路发明者的罗伯特·诺伊斯以及安迪·格罗夫一起创办了英特尔公司，就此开启了“三位一体的英特尔传奇”之路。
1965年，摩尔受《电子学》杂志邀请，写下了《将更多的元件塞进集成电路》。在这篇仅有4页的文章中，摩尔通过几年的数据整理，写下了著名的预言：在未来十年内，单位面积芯片上的晶体管数量每年翻一番。在1975年，可能是发现这样的速度太“卷”了，摩尔又将摩尔定律改为每两年翻一番。
论文内容，介绍在未来十年内，单位面积芯片上的晶体管数量每年翻一番。（图片来源：《将更多的元件塞进集成电路》）
可能就连摩尔自己都没想到，这短短数行字会成为未来半个世纪半导体的发展规律，被全世界努力追赶。
之后著名的每18个月翻一番的摩尔定律，其实是由后来的英特尔CEO大卫·豪斯在此基础上所做的改动，他不仅改变了时间，还将晶体管数量翻一番曲解成“性能提高一倍”。摩尔定律诞生后，全世界半导体公司都开启了行业“内卷”之路，商业化时代的摩尔定律成了一种促销手段，变成了一条经济定律。
摩尔定律——晶体管的“瘦身”
为什么晶体管数量能够实现短时间的翻倍呢？摩尔定律为什么能够成立呢？这些问题要从晶体管开始讲起。
晶体管就像两个首尾相连的二极管。两边是同类型半导体，中间是另一种类型的半导体。正常情况下，没有任何电流能通过它，但是当我们给中间的半导体施加电流，只要电流能达到一定阈值，晶体管就被导通，相当于打开了开关，而在阈值以下，晶体管则相当于断路。
这种通过调节电流实现自由开关的功能就是晶体管最重要的功能，它打开了数字电子学与数字储存器的大门。
人类将很多晶体管与其他元件相互组合，构成各种类型的逻辑电路——与、或、非等门电路，这些电路可以组合成各种计算功能。相比于普通电路，这种电路不仅运算速度更快，还可以做得很小，方便集成到各种微型设备中，这就是所谓的集成电路，它正是现代互联网和你身边的电脑、手机的“鼻祖”。
晶体管数量越多，构成的逻辑电路越多，我们能同时运算的数字就越多，从而构成越快的集成电路，这就是大规模乃至超大规模集成电路诞生的原因。
通过以上描述你可以发现，相同芯片架构下，晶体管的数量其实决定了芯片的性能。那如何实现单位面积芯片晶体管数量翻倍呢？答案其实很简单，将每个晶体管面积变为原来的1/2。
早期芯片只有2维排列，将晶体管看成一个长方形，只要它的长和宽都缩小为原来的0.7倍，0.7×0.7=0.49，就可以实现单个晶体管面积缩小为原来的一半了。
晶体管的长和宽变为原来的0.7倍，其栅极长度自然也会变为原来的0.7倍。
什么是栅极？栅极在晶体管中的作用类似于栅栏，它可以拦住电子，也可以让电子通过。它的功能就是通过调节栅极的电流，以实现调节流过晶体管的电流强度的作用。
栅极其实是晶体管功能的核心所在，因此科学家选择将最小栅极长度作为衡量工艺进步的标准，这就是商业宣传中常说的芯片制程。这下你应该知道为什么手机厂商宣传的芯片制程（从14nm、10nm到7nm再到5nm），每次进步都是按照0.7的比例缩小了吧。
当然，由于晶体管的3维堆叠技术的发明、芯片频率的进步和物理极限等原因，现在的芯片已经“卷”不动晶体管数量了，也无法实现摩尔定律的晶体管翻倍定律。所以英特尔才无奈地将摩尔定律改为“性能提升一倍”。所谓芯片制程也变成了一种象征意义，为了遵循摩尔定律所创造的营销方式，不再代表实际芯片的最小栅极长度了。
半导体行业历经半个多世纪，都在按照摩尔定律发展。从第一枚商用芯片的2250个晶体管，到现在一枚小小的CPU包含的数百亿个晶体管，都是万千工程师智慧的凝结。半导体厂商越来越“卷”，晶体管数量越来越多，芯片效能不断提升，价格自然也降低了。现在你能享受到互联网和智能手机等技术的快速变革和创新，都离不开人类对摩尔定律的坚守。
摩尔定律真的要消失了吗？
可惜的是，随着新工艺节点的不断推出，工艺制程也在一步步向着物理极限逼近，导致摩尔定律无法持续。
对于摩尔定律达到极限的原因，可能你听的最多的就是量子隧穿效应。晶体管如果持续缩小，甚至可能到达几个原子的尺寸。在这个尺度下，量子效应会大大增强，这时，不需要给栅极施加电流，某些电子就可以直接从发射极直接流向集电极，这意味着晶体管的功能受到很大削弱，会导致非常严重的后果。
为了能继续减小栅极大小，人类也提出了各种解决手段，例如将栅极材料替换成高介电材料，以防止电子的穿透。或者将栅极做成类似鱼鳍的叉状3D架构，用立体结构取代平面器件来增强栅极的控制能力，以减小量子隧穿对芯片的影响。
但这些方法都只是“缓兵之计”，如果没有材料学上的突破性进展，随着晶体管数量的增加，生产成本会不断增加，晶体管的性能提升也会遇到瓶颈，终有一天摩尔定律会“死去”。
Intel提出RibbonFET，增加“鱼鳍”结构以增加跟栅极的接触面积（图片来源：Intel宣传片）
有预测认为，摩尔定律的极限将在2025年左右到来，但也有乐观的人认为还能持续更久。这几年，随着AI时代的到来，关于摩尔定律已死的讨论越来越多，其实摩尔本人也预见了摩尔定律失效的那一天。
早在2015年，摩尔接受采访时就表示：摩尔定律不会永远有效，但如果良好的工程技术得到应用，那么摩尔定律仍然可以坚持5到10年时间。有趣的是，英特尔并不赞同老领导的观点，他们经常在公开场合表示：摩尔定律Alive and Well(活得很好)。
虽然晶体管数量的增加趋于平缓是不争的事实，但是各大厂商为了能跟上摩尔定律，仍然在不断努力。未来人类可能会通过优化硬件结构和使用更高效的材料来提高晶体管的性能，或者采用新型的计算架构，例如量子计算机和神经元计算机等，来满足不同领域和应用的需求。
在AI迎来“寒武纪大爆发”的当下，我们需要更强大、更快速、更节能的芯片去支持更复杂、更智能、更创新的AI系统。当下爆火的ChatGPT的研发公司CEO曾在社交媒体发文称，新版本的摩尔定律——全球人工智能运算量每隔18个月翻一番，很快就要到来。这可能就是对戈登·摩尔先生最好的致敬。
结语
在这个快速变化的时代，人们对于技术的期望也在不断提高。摩尔定律的提出，让人们对于未来的技术充满了无限的想象和期待。从电子计算机到量子计算机，从传统互联网到区块链技术，计算机技术正以惊人的速度不断演化，不断改变着人类世界和生活。因此，我们需要不断地寻找新的技术和方法来推动计算机技术的进步。
但同时，我们也需要意识到计算机技术发展的复杂性和多样性，不应该过度依赖于摩尔定律的预测和承诺。只有不断地创新和探索，才能够实现计算机技术的跨越式发展和人类社会的繁荣与进步。
参考文献
- Moore, G. E. (1965). Cramming more components onto integrated circuits. Electronics, 38(8), 114-117.
- CEA-LETI. (2020). Leti's roadmap to overcome limitations of Moore's law. Retrieved from
- Denning, P. J. (2013). Great principles of computing. Communications of the ACM, 56(9), 34-42.
- 吴军.《硅谷之谜》[J].华东科技,2016,No.359(01):79.
出品：科普中国
作者：王智豪（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）
监制：中国科普博览