半个世纪以前，一位名为戈登e摩尔的年轻工程师在认真审视了他所从事的这个羽翼初丰的行业后，预言了未来10年内将出现的大事件。在专业杂志《电子学》（electronics）上刊登的一篇长达4页的文章中，摩尔对家庭计算机、手机和汽车自动控制系统的未来作出了预言。他在文中写道，集成电路上的电子元件将会以最经济的方式整合在一起，并且元件的数目将会每年稳定递增，而这种现象将不断地促进现代科学出现奇迹。

10年过后，集成电路的指数级增长——后来被称为“摩尔定律”——仍没有终止的迹象。在今天看来，这一定律描述了一段非凡的、长达50年之久的辉煌时光。在这段时间里，计算机、个人电子设备和传感器层出不穷。怎样夸大摩尔定律对人类现代生活的影响都不过分。没有摩尔定律，现在的我们就不可能坐飞机出行，打电话沟通，甚至不可能启动洗碗机。没有摩尔定律，我们也不可能发现希格斯玻色子或创造出互联网。

然而，摩尔定律究竟所言何物？它何以如此成功？它是否论证了不可阻挡的科技发展趋势？或者，它是否只是反映了工程学历史上的一段独特时期？正是在这段时间里，凭借硅晶的特殊属性和一连串稳步的工程创新，我们才获得了这几十年的巨大进步。

我要说的是，摩尔定律所作的任何预测都不是必然会发生的。相反，它只是对人类智慧、辛勤工作和自由市场激励机制的证明。摩尔的预言在最初只是对一个新兴行业所作的极为简单的观察。但是随着时间的推移，这个预言却成为一个满含期望和自我证明的预言——其实就是一些工程师和公司在发现摩尔定律的效益后，持续不断地进行的创造。他们一直在努力让摩尔定律继续发挥作用，防止自己在竞争中被淘汰出局。

我还要指出的是，尽管摩尔定律一直在不停地被解读，但它并非是一个简单的概念。在过去若干年中，摩尔定律的含义一直在反复变化，甚至目前也仍在演变。如果我们希望从摩尔定律中提取任何有关发展进步的特性以及对未来预言的信息，我们还必须对它作出更深一步的解读。

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20世纪60年代初期，在硅谷还未成为被人们所熟知的“硅谷”之前，摩尔在仙童半导体公司担任研发总监。摩尔与其他几个研究硅电子设备的同事，在一起离开肖克利半导体实验室后，于1957年共同创立了仙童半导体公司。

仙童半导体公司是当时为数不多的几家开展晶体管研究的公司之一。而现在，晶体管作为无处不在的开关，大量地（数十亿计）被集成在芯片上，用于完成各类计算和数据存储工作。当时，仙童半导体公司在很短的时间内便发掘到了自己的利基市场。

在当时，大部分电路是靠人工将单个的晶体管、电阻器、电容器和二极管连接在电路板上的。但在1959年，仙童半导体公司的金赫尔尼（jeanhoerni）发明了平面晶体管，这种晶体管是在硅片平面上加工而成的，而不是采用凸起的硅台面。

借助这种加工工艺，工程师们可以在晶体管上方用引线将各元件连接在一起，从而在同一片芯片上一次性制作出“集成电路”。德州仪器的杰克基尔比（jackkilby）最先提出了初期的集成方案，利用架在芯片表面之上的“飞线”将器件连接在一起。但是摩尔的同事罗伯特诺伊斯（robertnoyce）却向世人展示，平面晶体管也可以像立方块一样用来制造集成电路，只需将晶体管镀上一层氧化物绝缘层，然后添加铝来连接器件即可。仙童半导体公司采用了这种新的架构并制造了首批硅集成电路。1961年发布的首款硅集成电路共容纳了4个晶体管，这在当时是一项很了不起的成就。到1965年时，仙童半导体公司已准备发布带有64个元件的芯片了。

掌握了这项技术的摩尔在1965年发表的论文的开篇便作出大胆陈述：“集成电子技术是电子学的未来。”在今天看来，这一声明已不证自明，但在当时却充满了争议。许多人怀疑集成电路只能满足一个小份额市场的需求。

这种怀疑是情有可原的。尽管最初的集成芯片比手工连线的芯片紧凑许多，但它们的成本也高出很多——按照今天的币值计算，每个元件约为30美元，而独立元件的成本却不足10美元。当时市场上只有几家公司制造集成电路，而它们真正的客户也只有nasa和美国军方。

而晶体管性能尚不可靠这一不争事实让问题变得更为严重。在当时制造出的单个晶体管中，只有一小部分——摩尔后来回忆指出，只有百分之十至二十——能够真正发挥作用。将这样的六七个器件一起放在集成电路中，你一定会认为这些小问题会叠加，导致只有极少数的芯片能够正常使用。

然而，这一逻辑却是错误的。事实上，在制造含有8个晶体管的芯片时，能够正常使用的芯片比例与制作8个单个晶体管时的可使用比例是相近的。原因在于这种概率并不是针对单个晶体管而言的。缺陷会占用空间，而多种类型的缺陷会像飞溅的油漆一样随机分布。如果将两个晶体管紧密地放置在一起，单个晶体管自身的缺陷便可以同时影响两个晶体管。因此，将两个晶体管并排放在一起时由缺陷导致的失效风险与单独一个晶体管是相同的。

摩尔确信，最终一定能够证明集成工艺是经济合算的。在1965年发表的论文中，为了证明集成电路拥有无限光明的未来，摩尔在一幅曲线图中按照先后顺序绘制了5个时间点。第一个时间点是仙童半导体公司首款平面晶体管问世，随后是公司的一系列集成电路产品推出的时间。摩尔采用的是半对数曲线图，其中一个轴是分度不均匀的对数坐标轴，另一个轴是分度均匀的普通坐标轴。指数函数在这种坐标图中会被显示为直线。而摩尔所画的，连接这5个时间点的线大约是一条倾斜的直线，其倾斜度恰好对应集成电路上每年翻倍的元件数量。

从这条小小的趋势线出发，摩尔作出了大胆的推断：这种翻倍现象将继续维持10年。他预测，到1975年时，集成电路上的元件数量可以从64个增加至6.5万个。实际上，摩尔的推测几乎完全正确。摩尔于1968年离开仙童半导体公司，并与别人共同创立了英特尔公司。而英特尔公司在1975年所筹备推出的一款电荷耦合器件（ccd）存储芯片中，大约有3.2个万元件——仅比摩尔的千倍增长预测结果少了一半。

在回顾这篇令人瞩目的论文时，我要指出几个经常被人们忽略的细节。首先，摩尔预测的是电子元件的数量——而不仅仅是晶体管或其他器件（例如电阻器、电容器、二极管）的数量。许多早期集成电路上所含有的电阻器数量的确要比晶体管多。后来，较少依赖非晶体管元件的金属氧化物半导体（d存储器，他认为精明性将很快不再发挥决定性作用。在ccd阵列中，所有器件均密密麻麻地排列成紧密的网格状，已经没有多余空间可进一步节省。于是，摩尔预言，未来的翻倍趋势很快将只受两个因素驱动：更加微小的晶体管和更大面积的芯片。而后果便是翻倍速度将减半，元件数量从每年翻一倍减缓为每两年翻一倍。

具有讽刺意味的是，事实证明ccd存储器太容易出现故障，因此英特尔公司并未发布该产品。尽管如此，摩尔的预言却在逻辑芯片上得到了验证。以微处理器为例，自20世纪70年代起，微处理器上的元件数量便一直在以每两年翻一倍的速率增加。而带有由完全相同的晶体管组成的大规模阵列的存储芯片则增速更快一些，每隔约18个月，元件数量便会翻倍，其主要原因是这种芯片的设计更为简单。

在摩尔确定的3个技术驱动因素中，有一个变得极为特殊：缩小晶体管的尺寸。至少在一段时间内，缩小mos晶体管——我们现在仍在使用的硅栅晶体管——的尺寸的确能够实现工程领域内极少出现的一项成就：无须权衡取舍。按照以ibm工程师罗伯特登纳德（robertdennard）命名的度规法则，后继一代的晶体管性能总是比前一代更加优越。晶体管尺寸的不断缩小不仅可令一块集成电路上容纳的元件数量更多，也让晶体管的运行速度更快，耗电量更低。

摩尔定律之所以能够持续有效，在很大程度上便是由这个因素单独决定的，而且在摩尔定律演化的两个不同时期，它一直在发挥作用。在初期，我称之为“摩尔定律1.0”的那个阶段，进步都是通过“按比例增加”实现的，即在一块芯片上增加更多的元件。最初，这样做的目标只是吞并既有应用的分立元件，将它们打包成一套可靠且价格低廉的组件。其结果是芯片的面积越来越大，且越来越复杂。在20世纪70年代早期问世的微处理器就是这个阶段的典型例证。

但在过去几十年里，半导体行业的进步开始由摩尔定律2.0主导。这个时代的主题已经成为“按比例缩小”，即便每块芯片上的晶体管数量不再增加，晶体管的尺寸仍在继续缩小，成本也在不断降低。虽然摩尔定律1.0和2.0时代略有重叠，但从半导体行业的自身发展情况便可以看出“按比例缩小”和“按比例增加”各自的主导时期。在20世纪80年代以及90年代初期，定义行业进步的各代技术（或称“节点”）是按照动态ram的不同系列划分的：例如1989年时，我们是以4兆字节（mb）的dram为节点；1992年则是16mb。随着同一块芯片上容纳的晶体管数量越来越多而成本并未增加，新一代产品意味着芯片的处理能力越来越强。