江苏科技报记者 夏文燕 陶韬
1965年4月19日，36岁的戈登·摩尔在《电子学》杂志中预言：集成电路中的晶体管数量大约每年就会增加一倍。十年过后，摩尔根据实际情况对预言进行了修正，把“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”。半导体行业的“传奇定律”——摩尔定律就此诞生，它不仅揭示了信息技术进步的速度，更在接下来的半个世纪中，犹如一只无形大手般推动了整个半导体行业的变革。
如今，得益于摩尔定律，我们可以随时用手机上网，约车、叫外卖，享受便捷的生活。然而，就在“摩尔定律”思考已经展开的下一个50年发展时，不得不面对这样一个现实——不久前，《自然》杂志刊文指出，新发布的国际半导体技术路线图，将不再以摩尔定律为中心。于是，“摩尔定律正走向终结”的声音随之而来。
在谈摩尔定律前，我们先做个科普
半导体行业里的“三兄弟”
在半导体行业，你常会听到人们谈晶体管、集成电路、芯片，它们与半导体之间是什么关系？
无锡新硅微电子有限公司董事长、“千人计划”国家特聘专家范建林帮大家科普。“半导体实际上就是指一种具有特殊性质的材料，介于导体和绝缘体之间，最常见的是硅、砷化镓等，现在也有人将半导体的意义拓展至产业或产品。”
范建林解释，晶体管其实就是由半导体制成的单一元件，包括二极管、三极管、可控硅等，晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管。晶体管的发展也为后来集成电路发展奠定了基础。采用一定工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构，这就是集成电路。范建林介绍，集成电路经过设计、制造、封装、测试后就成了芯片，“集成电路与芯片的区别是，集成电路更着重电路的设计和布局布线，而芯片更强调电路的集成、生产和封装。”范建林说。
晶体管诞生引发产业革命
1947年12月的一天，在美国新泽西州墨累山的贝尔实验室里，3位科学家成功地制造出第一个晶体管。这是一款点接触晶体管，外形比火柴棍短，但要粗一些，电流沿着半导体表面传输，然后晶体管将流经它的电信号扩大。“晶体管诞生前，20世纪二三十年代，主要应用的是大而笨重的真空管，真空管构建消耗大，消耗电能多，且需要预热，不耐冲击和振动，缺点不少。”中国科学院“百人计划”专家、华进半导体封装先导技术研发中心总经理曹立强说。
应用晶体管的好处就是，它的寿命是真空管产品的100到1000倍，不需要像真空管那样加热灯丝就可以产生自由电子。以20世纪60年代开始出现在我们身边的产品为例，一台晶体管收音机只要几节干电池就可以听上个半年时间，晶体管收音机一开就响，晶体管电视机一开就有画面，而真空管需要一段时间的预热，不能立即欣赏节目。
集成电路出现，电子产品量产
1954年，贝尔实验室推出全晶体管收音机和计算机。这些在当时“时髦”的应用，又促成了半导体产业发展历程中的另一个大事件——集成电路的发明。
1958年8月28日，世界上第一款集成电路诞生。当时，在一个锗片上只有一个晶体管以及其它一些部件，虽然“简陋”却掀起了电子产业的另一场革命，发明人德州仪器的Jack Kilby还因此获得了2000年诺贝尔物理学奖。
第二年，飞兆半导体创始人之一Robert Noyce发明了平面工艺技术，这个技术的发明，使得集成电路实现了量产化，这让半导体从“发明时代”正式进入“量产时代”，也越来越多地应用于我们的生产、生活中。20世纪50年代末，晶体管在收音机、电话和计算机中得以应用。
Intel芯片开启超大规模集成电路发展
说到这，Intel公司不得不提。1968年，两位创始人从半导体公司辞职后创立了Intel公司，“Intel”也正是“集成电子设备”的英文缩写。
任何计算机离开芯片无法工作，芯片离开晶体管无法工作，晶体管在电子技术进步中发挥着不可或缺的作用。1982年，英特尔第一个16位的286微处理器问世，其使用了13400个晶体管，3年后，32位的386微处理器问世，含有27.5万个晶体管，具备多任务处理能力，可以在同一时间运行多个程序。又过了三年，16M DRAM存储器问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，这标志着半导体产业进入超大规模集成电路阶段。
“之后的发展便一发不可收，从奔腾处理器的问世，到奔腾3、奔腾4，再到双核、四核处理器，晶体管的数量增加到5.8亿多个。”曹立强说。
启迪创新，摩尔定律仍有意义
摩尔定律其实只是一个“推测”
“摩尔定律其实并非基于任何科学或工程原理，仅仅反映了行业发展趋势。”中国电子科技集团公司第五十八研究所首席专家于宗光教授说。
1965年4月19日，还在美国仙童半导体公司从事研发工作的36岁的戈登·摩尔，在《电子学》杂志上发表的一篇文章中预测，“当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件数目，每隔一年便会增加一倍，也就是说芯片的性能将提升一倍。”
曹立强介绍，这是摩尔当时根据器件的复杂性和时间之间的线性关系作出的推断，也就是说随着电路密度的提高，其价格将随之降低。
1975年，摩尔在IEEE国际电子组件大会上提交了另一篇论文，其中对摩尔定律进行了修正，把“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”。据了解，摩尔1997年接受《科学的美国人》采访时表示，他当年是把“每年翻一番”改为“每两年翻一番”，但实际上，后来更准确的时间是两者的平均值：18个月。
直到今天，摩尔定律仍然被认为是一个推测，而不是基于科学原理的定律。如果非要给摩尔定律打扮成“定律”，可以用这样一则公式：（每芯片的电路增长倍数）=2×（年份-1975）/1.5。
受益于“摩尔”，电脑可以装进口袋
“正是由于摩尔定律，原来的巨型计算机变成了每个人桌上的台式电脑，再变成每个人口袋里的手机。”中国信息协会大数据分会副会长刘鹏说。
其实，摩尔在最初提出“摩尔定律”时候就写道：集成电路的发展将会带动多种设备的发展，例如家用电脑、连接电脑的终端、汽车自动化控制和个人便携通信设备等。“摩尔定律的影响力，我们每个人都可以亲身感受到。”曹立强说，“比如我们现在使用的智能手机，每个手机的处理能力都比20世纪50年代的房屋大小的超级计算机高出不知道多少倍。”
在摩尔刚刚提出摩尔定律时，晶体管的体积大约相当于铅笔头上的那块橡皮那么大。如今，这块橡皮大小的体积内，已经可以容纳下600万个晶体管。“摩尔定律可以说是整个计算机行业最重要的定律，尽管也有不少模仿其诞生的定律，但都无法拥有像摩尔定律一样的深远影响力。”曹立强指出，摩尔定律中的指数级增长，促使人们生活中的各种电子设备的体积变得越来越小，功能却越来越强大，价格也越来越低廉，如此一来，就为智能设备、染色体组分析等技术的发展奠定了基础。
