2023 年 3 月 24 日，美國(guó)科學(xué)家、企業(yè)家戈登·摩爾（Gordon Moore）去世，享年 94 歲。戈登·摩爾，一位真正的“大佬”，人類科技發(fā)展的推進(jìn)者，影響整個(gè)計(jì)算機(jī)行業(yè)的巨匠。摩爾定律作為摩爾先生最偉大的成就，不僅推動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使計(jì)算機(jī)走向更廣泛的應(yīng)用，還在無(wú)形中對(duì)人類科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

(資料圖片僅供參考)

戈登·摩爾，圖片來(lái)源：維基百科

至此，從肖克利博士手下出走的仙童“八叛徒”全部作古，屬于他們的時(shí)代終結(jié)了，但他們帶給人類的珍貴財(cái)富卻令他們永垂不朽。

01

“叛徒”帶頭“卷”芯片

故事要從貝爾實(shí)驗(yàn)室的威廉·肖克利（William Shockley）說(shuō)起。這位科學(xué)家在貝爾實(shí)驗(yàn)室與其他人共同發(fā)明了晶體管，并獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

威廉·肖克利，圖片來(lái)源：維基百科

為了賺更多錢，肖克利在 1955 年創(chuàng)辦了自己的實(shí)驗(yàn)室——肖克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室坐落于美國(guó)加州的帕洛阿爾托。

肖克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室，圖片來(lái)源：維基百科

你可能對(duì)這個(gè)城市有點(diǎn)陌生，但這里曾經(jīng)孵化過(guò)許多巨頭公司，如今仍然是很多公司的總部所在地，它有一個(gè)更家喻戶曉的稱呼——硅谷。

肖克利是位非常優(yōu)秀的物理學(xué)家，但他沒(méi)有豐富的商業(yè)經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)秀的管理能力，公司僅僅創(chuàng)立 6 個(gè)月，很多員工就對(duì)他產(chǎn)生了極大不滿。1957 年 9 月 18 日，羅伯特·諾伊斯伙同 7 位肖克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室的同事集體向肖克利遞上辭職信。

肖克利當(dāng)時(shí)大發(fā)雷霆，將這 8 位年輕人痛斥為忘恩負(fù)義的叛徒，這就是“仙童八叛徒”的由來(lái)。當(dāng)時(shí)肖克利沒(méi)想到的是，這幾個(gè)人會(huì)在未來(lái)成為硅谷的傳奇，后來(lái)就連肖克利本人也改口把他們稱為“八個(gè)天才的叛逆”。

“八叛徒”合照，從左到右依次為：戈登·摩爾（Gordon Moore）、謝爾頓·羅伯茨（Sheldon Roberts）、尤金·克萊爾（Eugene Kleiner）、羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）、維克多·格里尼克（Victor Grinich）、朱利亞斯·布蘭克（Julius Blank）、金·赫爾尼（Jean Hoerni）和杰·拉斯特（Jay Last）。圖片來(lái)源：維基百科

“八叛徒”離開(kāi)肖克利后就創(chuàng)立了大名鼎鼎的仙童半導(dǎo)體公司。仙童這一名字與硅谷緊緊相連，毫不夸張地說(shuō)，仙童半導(dǎo)體公司的創(chuàng)立標(biāo)志了硅谷的誕生。

1968 年，由于仙童半導(dǎo)體公司快速發(fā)展帶來(lái)的一系列問(wèn)題，歷史又一次重演。摩爾叛離了仙童，與集成電路發(fā)明者的羅伯特·諾伊斯以及安迪·格羅夫一起創(chuàng)辦了英特爾公司，就此開(kāi)啟了“三位一體的英特爾傳奇”之路。

1965 年，摩爾受《電子學(xué)》雜志邀請(qǐng)，寫下了《將更多的元件塞進(jìn)集成電路》。在這篇僅有 4 頁(yè)的文章中，摩爾通過(guò)幾年的數(shù)據(jù)整理，寫下了著名的**摩爾定律：**在未來(lái)十年內(nèi)，單位面積芯片上的晶體管數(shù)量每年翻一番。

在 1975 年，摩爾可能是發(fā)現(xiàn)這樣的速度太“卷”了，于是他又將摩爾定律改為每?jī)赡攴环?/strong>。

論文內(nèi)容，介紹在未來(lái)十年內(nèi)，單位面積芯片上的晶體管數(shù)量每年翻一番。圖片來(lái)源：《將更多的元件塞進(jìn)集成電路》

可能就連摩爾自己都沒(méi)想到，這短短數(shù)行字會(huì)成為未來(lái)半個(gè)世紀(jì)半導(dǎo)體的發(fā)展規(guī)律，被全世界努力追趕。

之后著名的每 18 個(gè)月翻一番的摩爾定律，其實(shí)是由后來(lái)的英特爾 CEO 大衛(wèi)·豪斯在此基礎(chǔ)上所做的改動(dòng)，他不僅改變了時(shí)間，還將晶體管數(shù)量翻一番曲解成“性能提高一倍”。摩爾定律誕生后，全世界半導(dǎo)體公司都開(kāi)啟了行業(yè)“內(nèi)卷”之路，商業(yè)化時(shí)代的摩爾定律成了一種促銷手段，變成了一條經(jīng)濟(jì)定律。

02

摩爾定律

晶體管的“瘦身”

為什么晶體管數(shù)量能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間的翻倍呢？摩爾定律為什么能夠成立呢？這些問(wèn)題要從晶體管開(kāi)始講起。

晶體管就像兩個(gè)首尾相連的二極管。兩邊是同類型半導(dǎo)體，中間是另一種類型的半導(dǎo)體。正常情況下，沒(méi)有任何電流能通過(guò)它，但是當(dāng)我們給中間的半導(dǎo)體施加電流，只要電流能達(dá)到一定閾值，晶體管就被導(dǎo)通，相當(dāng)于打開(kāi)了開(kāi)關(guān)，而在閾值以下，晶體管則相當(dāng)于斷路。

這種通過(guò)調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)自由開(kāi)關(guān)的功能就是晶體管最重要的功能，它打開(kāi)了數(shù)字電子學(xué)與數(shù)字儲(chǔ)存器的大門。

不同大小的晶體管，圖片來(lái)源：維基百科

人類將很多晶體管與其他元件相互組合，構(gòu)成各種類型的邏輯電路——與、或、非等門電路，這些電路可以組合成各種計(jì)算功能。相比于普通電路，這種電路不僅運(yùn)算速度更快，還可以做得很小，方便集成到各種微型設(shè)備中，這就是所謂的集成電路，它正是現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)和你身邊的電腦、手機(jī)的“鼻祖”。

晶體管數(shù)量越多，構(gòu)成的邏輯電路越多，我們能同時(shí)運(yùn)算的數(shù)字就越多，從而構(gòu)成越快的集成電路，這就是大規(guī)模乃至超大規(guī)模集成電路誕生的原因。

集成電路內(nèi)部晶體管，圖片來(lái)源：維基百科

通過(guò)以上描述你可以發(fā)現(xiàn)，相同芯片架構(gòu)下，晶體管的數(shù)量其實(shí)決定了芯片的性能。那如何實(shí)現(xiàn)單位面積芯片晶體管數(shù)量翻倍呢？答案其實(shí)很簡(jiǎn)單，將每個(gè)晶體管面積變?yōu)樵瓉?lái)的 1/2。

早期芯片只有二維排列，將晶體管看成一個(gè)長(zhǎng)方形，只要它的長(zhǎng)和寬都縮小為原來(lái)的 0.7 倍，0.7×0.7=0.49，就可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)晶體管面積縮小為原來(lái)的一半了。晶體管的長(zhǎng)和寬變?yōu)樵瓉?lái)的 0.7 倍，其柵極長(zhǎng)度自然也會(huì)變?yōu)樵瓉?lái)的 0.7 倍。

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什么是柵極？柵極在晶體管中的作用類似于柵欄，它可以攔住電子，也可以讓電子通過(guò)。它的功能就是通過(guò)調(diào)節(jié)柵極的電流，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流過(guò)晶體管的電流強(qiáng)度的作用。

柵極其實(shí)是晶體管功能的核心所在，因此科學(xué)家選擇將最小柵極長(zhǎng)度作為衡量工藝進(jìn)步的標(biāo)準(zhǔn)，這就是商業(yè)宣傳中常說(shuō)的芯片制程。這下你應(yīng)該知道為什么手機(jī)廠商宣傳的芯片制程（從 14 納米、10 納米到 7 納米再到 5 納米），每次進(jìn)步都是按照 0.7 的比例縮小了吧。

當(dāng)然，由于晶體管的三維堆疊技術(shù)的發(fā)明、芯片頻率的進(jìn)步和物理極限等原因，現(xiàn)在的芯片已經(jīng)“卷”不動(dòng)晶體管數(shù)量了，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)摩爾定律的晶體管翻倍定律。所以英特爾才無(wú)奈地將摩爾定律改為“性能提升一倍”。所謂芯片制程也變成了一種象征意義，為了遵循摩爾定律所創(chuàng)造的營(yíng)銷方式，不再代表實(shí)際芯片的最小柵極長(zhǎng)度了。

半導(dǎo)體行業(yè)歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)，都在按照摩爾定律發(fā)展。從第一枚商用芯片的 2250 個(gè)晶體管，到現(xiàn)在一枚小小的 CPU 包含的數(shù)百億個(gè)晶體管，都是萬(wàn)千工程師智慧的凝結(jié)。半導(dǎo)體廠商越來(lái)越“卷”，晶體管數(shù)量越來(lái)越多，芯片效能不斷提升，價(jià)格自然也降低了。現(xiàn)在你能享受到互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)等技術(shù)的快速變革和創(chuàng)新，都離不開(kāi)人類對(duì)摩爾定律的堅(jiān)守。

03

摩爾定律

要消失了嗎？

可惜的是，隨著新工藝節(jié)點(diǎn)的不斷推出，工藝制程也在一步步向著物理極限逼近，導(dǎo)致摩爾定律無(wú)法持續(xù)。

對(duì)于摩爾定律達(dá)到極限的原因，可能你聽(tīng)的最多的就是量子隧穿效應(yīng)。晶體管如果持續(xù)縮小，甚至可能到達(dá)幾個(gè)原子的尺寸。在這個(gè)尺度下，量子效應(yīng)會(huì)大大增強(qiáng)。這時(shí)，不需要給柵極施加電流，某些電子就可以直接從發(fā)射極直接流向集電極，這意味著晶體管的功能受到很大削弱，會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。

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為了能繼續(xù)減小柵極大小，人類也提出了各種解決手段，例如將柵極材料替換成高介電材料，以防止電子的穿透?；蛘邔艠O做成類似魚鰭的叉狀 3D 架構(gòu)，用立體結(jié)構(gòu)取代平面器件來(lái)增強(qiáng)柵極的控制能力，以減小量子隧穿對(duì)芯片的影響。

但這些方法都只是“緩兵之計(jì)”，如果沒(méi)有材料學(xué)上的突破性進(jìn)展，隨著晶體管數(shù)量的增加，生產(chǎn)成本會(huì)不斷增加，晶體管的性能提升也會(huì)遇到瓶頸，終有一天摩爾定律會(huì)“死去”。

有預(yù)測(cè)認(rèn)為，摩爾定律的極限將在 2025 年左右到來(lái)，但也有樂(lè)觀的人認(rèn)為還能持續(xù)更久。這幾年，隨著 AI 時(shí)代的到來(lái)，關(guān)于摩爾定律已死的討論越來(lái)越多，其實(shí)摩爾本人也預(yù)見(jiàn)了摩爾定律失效的那一天。

早在 2015 年，摩爾接受采訪時(shí)就表示：摩爾定律不會(huì)永遠(yuǎn)有效，但如果良好的工程技術(shù)得到應(yīng)用，那么摩爾定律仍然可以堅(jiān)持 5 到 10 年時(shí)間。有趣的是，英特爾并不贊同老領(lǐng)導(dǎo)的觀點(diǎn)，他們經(jīng)常在公開(kāi)場(chǎng)合表示：摩爾定律“活得很好（Alive and Well）”。

雖然晶體管數(shù)量的增加趨于平緩是不爭(zhēng)的事實(shí)，但是各大廠商為了能跟上摩爾定律，仍然在不斷努力。未來(lái)人類可能會(huì)通過(guò)優(yōu)化硬件結(jié)構(gòu)和使用更高效的材料來(lái)提高晶體管的性能，或者采用新型的計(jì)算架構(gòu)，例如量子計(jì)算機(jī)和神經(jīng)元計(jì)算機(jī)等，來(lái)滿足不同領(lǐng)域和應(yīng)用的需求。

在 AI 迎來(lái)“寒武紀(jì)大爆發(fā)”的當(dāng)下，我們需要更強(qiáng)大、更快速、更節(jié)能的芯片去支持更復(fù)雜、更智能、更創(chuàng)新的AI系統(tǒng)。當(dāng)下爆火的 ChatGPT 的研發(fā)公司 CEO 曾在社交媒體發(fā)文稱，新版本的摩爾定律——全球人工智能運(yùn)算量每隔 18 個(gè)月翻一番，很快就要到來(lái)。這可能就是對(duì)戈登·摩爾先生最好的致敬。

04

結(jié)語(yǔ)

在這個(gè)快速變化的時(shí)代，人們對(duì)于技術(shù)的期望也在不斷提高。摩爾定律的提出，讓人們對(duì)于未來(lái)的技術(shù)充滿了無(wú)限的想象和期待。從電子計(jì)算機(jī)到量子計(jì)算機(jī)，從傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)到區(qū)塊鏈技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)正以驚人的速度不斷演化，不斷改變著人類世界和生活。因此，我們需要不斷地尋找新的技術(shù)和方法來(lái)推動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。

但同時(shí)，我們也需要意識(shí)到計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的復(fù)雜性和多樣性，不應(yīng)該過(guò)度依賴于摩爾定律的預(yù)測(cè)和承諾。只有不斷地創(chuàng)新和探索，才能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的跨越式發(fā)展和人類社會(huì)的繁榮與進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

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[3] Denning, P. J. (2013). Great principles of computing. Communications of the ACM, 56(9), 34-42.

[4] 吳軍.《硅谷之謎》[J].華東科技,2016,No.359(01):79.

審核：科普中國(guó)

作者：王智豪（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

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