作者：王智豪（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）
監(jiān)制：中國科普博覽
2023年3月24日，美國科學家，企業(yè)家戈登·摩爾去世，享年94歲。至此，從肖克利博士手下出走的仙童“八叛徒”全部作古，屬于他們的時代終結(jié)了，但他們帶給人類的珍貴財富卻令他們永垂不朽。
戈登·摩爾，一位真正的“大佬”，人類科技發(fā)展的推進者，影響整個計算機行業(yè)的巨匠。摩爾定律作為摩爾先生最偉大的成就，不僅推動了計算機技術(shù)的快速發(fā)展，使計算機走向更廣泛的應用，還在無形中對人類科學發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。
戈登·摩爾
（圖片來源：維基百科）
“叛徒”帶頭“卷”芯片
故事要從貝爾實驗室的威廉·肖克利說起。這位科學家在貝爾實驗室與其他人共同發(fā)明了晶體管，并獲得諾貝爾物理學獎。為了賺更多錢，肖克利在1955年創(chuàng)辦了自己的實驗室——肖克利半導體實驗室。實驗室坐落于美國加州的帕洛阿爾托。
你可能對這個城市有點陌生，但這里曾經(jīng)孵化過許多巨頭公司，如今仍然是很多公司的總部所在地，它有一個更家喻戶曉的稱呼——硅谷。
肖克利是位非常優(yōu)秀的物理學家，但他沒有豐富的商業(yè)經(jīng)驗和優(yōu)秀的管理能力，公司僅僅創(chuàng)立6個月，很多員工就對他產(chǎn)生了極大不滿。1957年9月18日，羅伯特·諾伊斯伙同7位肖克利半導體實驗室的同事集體向肖克利遞上辭職信。
肖克利當時大發(fā)雷霆，將這8位年輕人痛斥為忘恩負義的叛徒，這就是“仙童八叛徒”的由來。當時肖克利沒想到的是，這幾個人會在未來成為硅谷的傳奇，后來就連肖克利本人也改口把他們稱為“八個天才的叛逆”。
八叛徒合照
（圖片來源：硅谷之謎 吳軍）
“八叛徒”離開肖克利后就創(chuàng)立了大名鼎鼎的仙童半導體公司。仙童這一名字與硅谷緊緊相連，毫不夸張地說，仙童半導體公司的創(chuàng)立標志了硅谷的誕生。
1968年，由于仙童半導體公司快速發(fā)展帶來的一系列問題，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，就此開啟了“三位一體的英特爾傳奇”之路。
1965年，摩爾受《電子學》雜志邀請，寫下了《將更多的元件塞進集成電路》。在這篇僅有4頁的文章中，摩爾通過幾年的數(shù)據(jù)整理，寫下了著名的預言：在未來十年內(nèi)，單位面積芯片上的晶體管數(shù)量每年翻一番。在1975年，可能是發(fā)現(xiàn)這樣的速度太“卷”了，摩爾又將摩爾定律改為每兩年翻一番。
論文內(nèi)容，介紹在未來十年內(nèi)，單位面積芯片上的晶體管數(shù)量每年翻一番。
（圖片來源：《將更多的元件塞進集成電路》）
可能就連摩爾自己都沒想到，這短短數(shù)行字會成為未來半個世紀半導體的發(fā)展規(guī)律，被全世界努力追趕。
之后著名的每18個月翻一番的摩爾定律，其實是由后來的英特爾CEO大衛(wèi)·豪斯在此基礎(chǔ)上所做的改動，他不僅改變了時間，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，全世界半導體公司都開啟了行業(yè)“內(nèi)卷”之路，商業(yè)化時代的摩爾定律成了一種促銷手段，變成了一條經(jīng)濟定律。
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)短時間的翻倍呢？摩爾定律為什么能夠成立呢？這些問題要從晶體管開始講起。
晶體管就像兩個首尾相連的二極管。兩邊是同類型半導體，中間是另一種類型的半導體。正常情況下，沒有任何電流能通過它，但是當我們給中間的半導體施加電流，只要電流能達到一定閾值，晶體管就被導通，相當于打開了開關(guān)，而在閾值以下，晶體管則相當于斷路。
這種通過調(diào)節(jié)電流實現(xiàn)自由開關(guān)的功能就是晶體管最重要的功能，它打開了數(shù)字電子學與數(shù)字儲存器的大門。
不同大小的晶體管
（圖片來源：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算功能。相比于普通電路，這種電路不僅運算速度更快，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，我們能同時運算的數(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
（圖片來源：維基百科）
電子顯微鏡下微電腦芯片晶體管
（圖片來源：維基百科）
通過以上描述你可以發(fā)現(xiàn)，相同芯片架構(gòu)下，晶體管的數(shù)量其實決定了芯片的性能。那如何實現(xiàn)單位面積芯片晶體管數(shù)量翻倍呢？答案其實很簡單，將每個晶體管面積變?yōu)樵瓉淼?/2。
早期芯片只有2維排列，將晶體管看成一個長方形，只要它的長和寬都縮小為原來的0.7倍，0.7×0.7=0.49，就可以實現(xiàn)單個晶體管面積縮小為原來的一半了。
晶體管的長和寬變?yōu)樵瓉淼?.7倍，其柵極長度自然也會變?yōu)樵瓉淼?.7倍。
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。它的功能就是通過調(diào)節(jié)柵極的電流，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)流過晶體管的電流強度的作用。
柵極其實是晶體管功能的核心所在，因此科學家選擇將最小柵極長度作為衡量工藝進步的標準，這就是商業(yè)宣傳中常說的芯片制程。這下你應該知道為什么手機廠商宣傳的芯片制程（從14nm、10nm到7nm再到5nm），每次進步都是按照0.7的比例縮小了吧。
當然，由于晶體管的3維堆疊技術(shù)的發(fā)明、芯片頻率的進步和物理極限等原因，現(xiàn)在的芯片已經(jīng)“卷”不動晶體管數(shù)量了，也無法實現(xiàn)摩爾定律的晶體管翻倍定律。所以英特爾才無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)造的營銷方式，不再代表實際芯片的最小柵極長度了。
半導體行業(yè)歷經(jīng)半個多世紀，都在按照摩爾定律發(fā)展。從第一枚商用芯片的2250個晶體管，到現(xiàn)在一枚小小的CPU包含的數(shù)百億個晶體管，都是萬千工程師智慧的凝結(jié)。半導體廠商越來越“卷”，晶體管數(shù)量越來越多，芯片效能不斷提升，價格自然也降低了?，F(xiàn)在你能享受到互聯(lián)網(wǎng)和智能手機等技術(shù)的快速變革和創(chuàng)新，都離不開人類對摩爾定律的堅守。
摩爾定律真的要消失了嗎？
可惜的是，隨著新工藝節(jié)點的不斷推出，工藝制程也在一步步向著物理極限逼近，導致摩爾定律無法持續(xù)。
對于摩爾定律達到極限的原因，可能你聽的最多的就是量子隧穿效應。晶體管如果持續(xù)縮小，甚至可能到達幾個原子的尺寸。在這個尺度下，量子效應會大大增強，這時，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，會導致非常嚴重的后果。
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。或者將柵極做成類似魚鰭的叉狀3D架構(gòu)，用立體結(jié)構(gòu)取代平面器件來增強柵極的控制能力，以減小量子隧穿對芯片的影響。
但這些方法都只是“緩兵之計”，如果沒有材料學上的突破性進展，隨著晶體管數(shù)量的增加，生產(chǎn)成本會不斷增加，晶體管的性能提升也會遇到瓶頸，終有一天摩爾定律會“死去”。
Intel提出RibbonFET，增加“魚鰭”結(jié)構(gòu)以增加跟柵極的接觸面積
（圖片來源：Intel宣傳片）
有預測認為，摩爾定律的極限將在2025年左右到來，但也有樂觀的人認為還能持續(xù)更久。這幾年，隨著AI時代的到來，關(guān)于摩爾定律已死的討論越來越多，其實摩爾本人也預見了摩爾定律失效的那一天。
早在2015年，摩爾接受采訪時就表示：摩爾定律不會永遠有效，但如果良好的工程技術(shù)得到應用，那么摩爾定律仍然可以堅持5到10年時間。有趣的是，英特爾并不贊同老領(lǐng)導的觀點，他們經(jīng)常在公開場合表示：摩爾定律Alive and Well(活得很好)。
雖然晶體管數(shù)量的增加趨于平緩是不爭的事實，但是各大廠商為了能跟上摩爾定律，仍然在不斷努力。未來人類可能會通過優(yōu)化硬件結(jié)構(gòu)和使用更高效的材料來提高晶體管的性能，或者采用新型的計算架構(gòu)，例如量子計算機和神經(jīng)元計算機等，來滿足不同領(lǐng)域和應用的需求。
在AI迎來“寒武紀大爆發(fā)”的當下，我們需要更強大、更快速、更節(jié)能的芯片去支持更復雜、更智能、更創(chuàng)新的AI系統(tǒng)。當下爆火的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——全球人工智能運算量每隔18個月翻一番，很快就要到來。這可能就是對戈登·摩爾先生最好的致敬。
結(jié)語
在這個快速變化的時代，人們對于技術(shù)的期望也在不斷提高。摩爾定律的提出，讓人們對于未來的技術(shù)充滿了無限的想象和期待。從電子計算機到量子計算機，從傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)到區(qū)塊鏈技術(shù)，計算機技術(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)和方法來推動計算機技術(shù)的進步。
但同時，我們也需要意識到計算機技術(shù)發(fā)展的復雜性和多樣性，不應該過度依賴于摩爾定律的預測和承諾。只有不斷地創(chuàng)新和探索，才能夠?qū)崿F(xiàn)計算機技術(shù)的跨越式發(fā)展和人類社會的繁榮與進步。
參考文獻：
[1]Moore, G. E. (1965). Cramming more components onto integrated circuits. Electronics, 38(8), 114-117.
[2]CEA-LETI. (2020). Leti's roadmap to overcome limitations of Moore's law. Retrieved from.
[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.