摩尔定律还能维持多久（你了解的摩尔定律）

今年是摩尔定律诞生50周年。现如今，摩尔定律是半导体芯片的集成密度每18个月翻倍。但是，你知道吗？摩尔定律的原话并非如此。在摩尔定律诞生之前的那段岁月，世界半导体行业恰如今天互联网行业一样繁荣。今天，我们试图从摩尔定律入手，回顾那段半导体行业蓬勃发展的岁月，以及天才们给行业和这个世界带来的变化。

半导体(semiconductor)的发现是一个多世纪以前的事情。很多人发现，在导体（Conductor）和绝缘体（insulator）之间，还有一种材料，它们的导电特性介于两者之间，从1833年开始发现硫化银的电阻随着温度升高而降低的半导体特性开始，此后一百年的时间，人们逐渐发现了半导体的全部特性，而量子物理学在这个时候也正恰好处于结出累累硕果的全盛时期，从理论上证明了半导体。而且既然说摩尔定律，就不得不提到：肖克利、贝尔实验室与晶体管。

到上世纪三四十年代，电子管的不足影响着方方面面：发热、易碎、寿命短且很占地方。而半导体方面的研究在当时已经很多。谁都能看出来晶体管取代电子管这一历史趋势，但是受制于一个问题：当时的晶体管只能实现单向整流，但是无法放大。

二战结束之后，肖克利从美国军方的部门回到了贝尔实验室，主持半导体方面的研究。肖克利本人是科研方面的天才，如果不是官方的极力阻止，核反应堆也是他的专利，而这个专利的获得甚至在曼哈顿工程之前。贝尔实验室在当时人才济济，晶体管是早期的硕果之一。

1947年12月15日，肖克利、布莱顿与巴丁一起见证了三极管放大的作用，1.3伏的直流电压被放大了15倍，当时实现的材料是锗而并非今天大规模采用的硅，几年之后才发现硅比锗更适合生产晶体管，硅的大范围使用，也成为“硅谷”这个名字的由来。而凭借着三极管的发明，肖克利等人获得了1956年诺贝尔物理学奖。

肖克利的厉害之处不仅仅在于研究的实验，在发现晶体管的专利不是自己的，因为最初的晶体管和结型场效应管的专利冲突，他钻进实验室，写了一本厚达558页的书：《半导体中的电子与空穴》，这本书对于后世所有研究半导体的人来说都有着圣经般的指导意义，也证明了他才是晶体管之父。

现在的记载当中，普遍有肖克利管理能力不善的说法。所以他不但与发明晶体管的两位同事分道扬镳，后来他的“肖克利实验室”一开始汇集了大量的人才，但是最终还是导致了“八叛逆”事件，集体接受了东海岸仙童摄影器材的资助，成立了飞兆半导体公司（FairchildSemiconductor，中国大陆官方译名）。这八个人当中，就有戈登·摩尔（GordonMoore）。

下图中，从肖克利实验室出走的“八叛逆”，有人称他们为“硅谷教父”，左一为年轻的摩尔。

摩尔出生在加州，他的高中是公立的红杉高中（SequoiaHighSchool），这个高中曾经是斯坦福的预备学校。不过摩尔的大学却没在斯坦福，他一开始去的圣何塞州立大学，两年后转学去了加州大学伯克利分校，并获得化学学士学位。随后摩尔在加州理工大学获得了化学博士学位，辅修物理。他的博士后则是在约翰·霍普金斯大学的应用物理实验室完成。纵观他的学业，可以说如果不是去搞半导体，摩尔也完全可以在大学里面担任教职直到退休。

博士后毕业之后，摩尔得到的是加州理工校友肖克利的感召，去了肖克利半导体实验室。肖克利实验室当时并不是个独立机构，是另外一个加州理工校友ArnoldBeckman成立的BeckmanCoulter（中文名字叫贝克曼库尔特，依旧健在）公司的一个部门，这个公司发明了酸碱性pH值的测量设备。公司的位于山景城，今天人们听说山景城，更多的是因为这里是谷歌的总部所在地。

八叛逆事件之后，摩尔等人接受了东海岸ShermanFairchild130万美元的投资成立了飞兆半导体。接受Fairchild的投资还有一层意义是当时八叛逆认为可以得到来自美国军方的合同，而Fairchild本人是极为成功的企业家，不仅仅是半导体，影像与航空工业都有他不可磨灭的贡献。1957年，飞兆半导体率先开始使用硅来生产晶体管，而同行们还在使用锗。

下图是飞兆半导体成立初期，左起：诺伊斯、摩尔与费尔柴尔德（Fairchild）

1954年，德州仪器率先制造出生长结晶体管。

当时的半导体行业的竞争还是很激烈的。1959年，八叛逆之一的让赫米（JeanHoerni）提出了革命性的平面晶体管技术，颠覆世界的变革序幕由此拉开：平面晶体管为规模化集成电路（intergratedcircuits，IC）提供了可能。

下图是第一个平面晶体管：2N1613，图片中的为飞兆早期产品，生产于1962年第31周。

平面晶体管使用二氧化硅作为钝化层来保护晶体管的接触点边缘不受污染，并且使用不贵的塑料进行封装。要知道塑料不易降解，这种封装极大的降低了长时间使用后晶体管降解的可能。平面晶体管同时具有三大优势：制造更容易、成本更低且性能更高。

飞兆半导体使用平面晶体管技术第一个商品化的产品是2N697，他们接到的第一笔订单来自IBM，以每个150美元的价格销售给IBM100个晶体管。摩尔在当时是飞兆半导体的研发主管。在他的领导下，飞兆半导体给整个产业带来了两块变革：MOS与μA741。

MOS也叫做金属氧化物半导体。最早开发这一技术的是RCA以及贝尔实验室。飞兆也看到了这一技术的前景，但是初期问题在于良品率太低无法进行商品化生产。后来找到的办法在今天也用：超净车间与光刻技术，并将其平面化，这样就能生产MOS的集成电路。

1963年飞兆雇佣了罗伯特怀德拉尔，此人开创性的设计了运算放大器μA702以及μA709，而在1968年，飞兆推出了大卫弗拉加设计的μA741运算放大器，这一产品直到今天依旧在大量的生产，成为半导体工业领域极为罕见的长寿产品，并且设计原理今天依旧是所有高校教材里面必须讲到的内容。随着741的上市，飞兆也迅速的成为仅次于德州仪器的半导体行业的第二名，当时第三名是摩托罗拉。

值得一提的是，在太平洋西侧的亚洲，东京通信株式会社看到了晶体管替代电子管生产收音机的潜力，很快的把这一产品卖到了全世界，并使用了新商标SONY。产品的晶体管授权来自贝尔。

1965年，恰逢《电子（Electrics，已经于1988年停刊）》杂志创刊35周年，时任飞兆半导体研发总监的摩尔受邀展望一下未来十年产业的发展趋势。于是摩尔写了一篇名为《给集成电路填充更多元件》（Crammingmorecomponentsontointegratedcircuits）的小文章，在文章当中，他认为就他的观察，到1975年，集成电路上的元器件将达到65000个。

正是这篇短文，摩尔提出，“集成电路上的小单元数量，大约每年都会提升一倍。对于长远的时间段来看具有一些不确定性，但是这个规律持续十年是没有任何疑问的。”摩尔第一次总结出来集成电路复杂性与时间的线性关系。

十年之后，IEEE，也就是国际电子电器工程师协会的会议上，摩尔修改了增长的速率：到1980年，大概每两年集成度会增加一倍。并进一步总结出三条规律：

芯片的面积会增加且缺陷部分密度下降，所以对于生产商来说，产能不会降低；

整个行业会同步演进到最小的单个晶体管尺寸；

并且电路的计算能力会同步的提升。

很快的在同一年，加州理工的教授CavernsMead正式的将摩尔总结出来的半导体行业的规律称之为“摩尔定律”并广为人知。

到这里，很多人会产生一个疑问：广为人知的摩尔定律不是每18个月集成密度翻倍吗？

事实上，摩尔本人从未说过18个月翻倍这件事，并且他一直坚持他在电子杂志上的说法。今年初，《福布斯》杂志专程采访了在夏威夷安度晚年的摩尔本人，他再次重申，在当时，他发现集成电路从1959年最开始的只有几个晶体管、电阻发展到了集成16个。摩尔在这段时间发现，如果把时间和晶体管数量翻倍的幂指数分别作一个坐标轴，两者的关系恰恰是一个接近线性的关系，即每年集成的密度提高一倍。

那18个月的说法是哪儿来的呢？

总结这一规律的人叫做大卫·豪斯，在1974到1996年这段时间里在英特尔工作，18个月的说法是他总结出来的。在1978年，他就成为英特尔电脑零部件部门的总经理，今天广为人知的“IntelInside”以及“Pentium奔腾”这个处理器的名字，都有他的功劳。

2008年，IEEE授予摩尔荣誉勋章，以表彰他在MOS、微处理器以及整个半导体领域的贡献。

有趣的是，2005年，在摩尔定律40周年的时候，英特尔曾经悬赏一万美元寻求一本当年刊载摩尔定律最初文章的Electronic杂志原本，一个英国工程师成为最快提供杂志原本的人，领取了英特尔的赏金。

摩尔定律的伟大、对半导体领域的影响乃至进一步，半导体对整个世界的影响到底有多大？仅仅是晶体管，有人就认为是20世纪最伟大的发明，并且与印刷术等伟大发明对人类同等重要。今天的我们已经无法想象如果一瞬间我们没有了所有的集成电路与晶体管，文明将退步到什么程度。

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