當工程師戈登·摩爾提出摩爾定律的時候，電腦還像冰箱那樣笨重。然而，這條定律最終成為了整個硅谷的基石。以新 CPU 的發(fā)明年份為橫軸，CPU 可容納晶體管數(shù)目的對數(shù)為縱軸作圖，所有的點近似成一條直線，意味著晶體管數(shù)目隨年份呈指數(shù)變化，每兩年翻一番。
硅谷 50 年：摩爾的奇跡
當工程師戈登·摩爾提出摩爾定律的時候，電腦還像冰箱那樣笨重。然而，這條定律最終成為了整個硅谷的基石。
摩爾當時 36 歲，是仙童半導(dǎo)體公司的研發(fā)主管。他在一本行業(yè)雜志上發(fā)表了篇文章，稱在未來的 10 年內(nèi)計算機芯片的復(fù)雜度每年都會翻一番，而不需要附加成本。1975 年，根據(jù)工業(yè)的研究進展，他把自己的預(yù)測更改為每兩年翻一番。
而在這過去的 50 年中，芯片制造商大量涌現(xiàn)，整個硅谷由此而生，無疑是對他的話的最好證明。
“摩爾定律就是硅谷的脈搏，它帶領(lǐng)著硅谷以史詩般的速度前進，并成為全世界的先驅(qū)?！奔夹g(shù)顧問 Rob Enderle 如是說。
摩爾的預(yù)測迅速地變成了芯片公司們的金科玉律：忽視摩爾定律的公司紛紛被淘汰，緊隨它的公司則越來越強大富有——摩爾本人參與建立的英特爾公司(Intel)就是其中之首。
多虧有了摩爾定律，我們今天才能把智能手機放在口袋或錢包里，今天智能手機的性能比 1965-1995 年里最大的電腦還要強勁。沒有摩爾定律就沒有超薄筆記本電腦，也不可能產(chǎn)生足以繪制整個基因組、或是設(shè)計復(fù)雜藥物的高性能計算機。流媒體視頻、社交媒體、搜索功能、云——沒有摩爾定律，這些都不可能產(chǎn)生。
“摩爾定律是整個信息時代的驅(qū)動力，”著名高速存儲器生產(chǎn)開發(fā)商蘭巴斯公司的首席科學(xué)家 Craig Hampel 說，“沒有摩爾定律，就沒有如今廉價的處理器，如今硅谷 99% 的公司也就不會存在了?！?/p>
要么跟隨摩爾定律，要么就死
1964 年，《電子學(xué)》雜志邀請摩爾為他們 1965 年 4 月刊寫一篇文章，討論集成電路的未來。
集成電路是承載著很多小“開關(guān)”(即晶體管)的硅片，它是數(shù)字時代的基本構(gòu)件。集成電路上能承載的晶體管越多，就意味著它們的性能越好。
摩爾觀察了半導(dǎo)體制造業(yè)中晶體管逐漸小型化的趨勢，發(fā)現(xiàn)每隔固定的一段時間集成電路上的晶體管數(shù)目就能加倍。他找了張坐標紙，畫了一條線代表每張芯片上晶體管的數(shù)量，這條線像導(dǎo)彈一樣直升而上，在至少 10 年內(nèi)每年都能翻番。
在那一瞬間他明白了接下來會發(fā)生什么，哪怕別的人對此還無知無覺。
在文章中他寫道：“集成電路會帶來一系列的奇跡：家用計算機(或者是連接到中央計算機的終端)、汽車自動控制系統(tǒng)，以及便攜的通訊設(shè)備?！?/p>
加州理工學(xué)院教授 Carver Mead 把這條定律命名為摩爾定律。隨著各大公司爭相生產(chǎn)最強勁的芯片，摩爾定律逐漸成了鑒定芯片公司能否存活的標志：要么每年把芯片上的晶體管數(shù)提高一倍，要么就死。
如今已 86 歲的摩爾在接受英特爾公司的采訪時說：“一開始我只是想記錄一下集成電路的發(fā)展歷史，沒想到它漸漸受到業(yè)內(nèi)各大公司認可，每個公司都得想辦法達到這樣的速度，落后就要挨打?！?/p>
摩爾定律也降低了電子設(shè)備的價格。隨著科技的進步，把越來越多的晶體管做到芯片里也不再昂貴。若非如此，現(xiàn)在集成電路也只是軍方和有錢人才能擁有的產(chǎn)品。英特爾的第一代微處理器(又叫單片機)包含 2 300 個晶體管，價格超過 500 美元;而現(xiàn)在的英特爾酷睿 i5 處理器包含超過 10 億個晶體管，價格才 276 美元。
“那才是我的真正目標：告訴大家我們的技術(shù)能讓電子設(shè)備越來越便宜。”摩爾說。
而摩爾定律所涉及的領(lǐng)域，遠遠不止個人科技產(chǎn)品。
“摩爾定律最神奇之處并不是它帶來了 iPhone，”加州圣克拉拉市 VLSI Research 公司的G. Dan Hutcheson 說，“在最近的 20 年里，每開發(fā)出一種新藥都需要計算機來對分子進行模擬。如果沒有計算技術(shù)的幫助，我們絕無可能合成這么多藥物，DNA 分析、基因組學(xué)也都不會存在——你根本就沒法做基因檢測。這一切歸根結(jié)底都是晶體管的功勞?！?/p>
Hutcheson 認為，摩爾的這個預(yù)測并不僅僅是一個“自我實現(xiàn)的預(yù)言”。他已經(jīng)預(yù)見到隨著時間推移，光學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)會通力合作，在不提高附加成本的情況下把晶體管變得越來越小。
摩爾定律還能撐多久?
當晶體管小到如今的程度，遵守摩爾定律就越來越困難了。
10 年之前，晶體管尺寸的縮小帶來了過熱的問題，導(dǎo)致每一代新芯片出現(xiàn)時性能不再有顯著的提升了。對此，公司采取了“多核計算機”的方法來應(yīng)對，即往每臺電腦中裝多個處理器。
“很多人也開始在硅芯片上尋找其他新方法來提高性能，以延續(xù)摩爾定律的預(yù)言?！边@是 IBM 阿爾馬登研究中心的科學(xué)技術(shù)主任 Spike Narayan 說的。
在一年半之前，更糟糕的事情發(fā)生了：連接晶體管的導(dǎo)線越來越細，以至于它們的電阻過大，無法承載足夠的電流。Narayan 說，“這可真是個大問題?！?/p>
“所以現(xiàn)在的材料研究和創(chuàng)新才這么熱——大家都在尋找新的材料和結(jié)構(gòu)用來制造芯片呢。”
而阻擋摩爾定律的另外一個因素，就是芯片縮小，它們消耗的能量也隨之上升。“極光”(Aurora)超級計算機的首席設(shè)計師 Alan Gara 也說：“我們最大的挑戰(zhàn)就是能效問題。”該超級計算機是英特爾公司為芝加哥附近的阿爾貢國家實驗室而造的。
英特爾表示，他們已經(jīng)找到一種新的途徑，以在接下來的 10 年里延續(xù)摩爾定律所預(yù)言的增長。英特爾公司的資深研究者 Mark Bohr 說，下一代處理器正處于“完整開發(fā)模式”，Bohr 帶領(lǐng)的團隊正是決定每一代英特爾芯片如何制造的那一群人。Bohr 正在緊鑼密鼓開發(fā)的下一代芯片，其中的晶體管已經(jīng)縮小到了 7 納米——要知道人類頭發(fā)的平均直徑足有 25 000 納米。
加州大學(xué)伯克利分校的電子工程與計算機科學(xué)家胡正明(Chenming Hu)說，摩爾定律所預(yù)言的指數(shù)增長到某個時間點必定會放緩。他是一代晶體管結(jié)構(gòu)設(shè)計的領(lǐng)軍人物，也為摩爾定律的延續(xù)作出了貢獻。
“公司為了掌握更高的市場份額、擊敗競爭對手，必須要拼命把產(chǎn)品性能翻一番甚至翻兩番，這些都是可以理解的，也正是他們的努力使得電子產(chǎn)業(yè)取得了如此的高速發(fā)展?！焙髡f，“然而，沒有哪一種指數(shù)增長是可以一直延續(xù)下去的?！?/p>
胡正明表示，很可能從某一個時間點開始，每兩年翻一番的速度就會放緩到每四年到五年翻一番。
“而那可能是個更好的結(jié)果——與其燦爛無比又一閃而逝，穩(wěn)定而緩慢的增長顯然是更好的?！?/p>