1965年，《電子》雜誌在創刊35週年之際，邀請時任仙童半導體公司研究開發實驗室主任的摩爾，爲其撰寫一篇觀察評論，預測微芯片工業的前景。

此時，全球半導體產業纔剛剛萌芽，英特爾公司都尚未成立，市面上生產和銷售的芯片更是屈指可數。

摩爾根據有限的數據大膽提出了一條被後人奉爲圭臬的路線圖——處理器（CPU）的功能和複雜性每12個月增加一倍，而成本卻成比例地遞減，也就是有名的摩爾定律。（1975年，摩爾將12個月改爲18個月，沿用至今）。

這篇名爲“讓集成電路填滿更多的元件”的報告，就此指導了半導體乃至整個信息產業半個世紀的發展步伐。

就連摩爾本人都沒有想到，這個定律的效力是如此持久。

2005年，摩爾直言“Something like this can’t  continue forever” ，認爲摩爾定律可能在 2010 至 2020 年達到極限而失靈，建立在硅基集成電路上的電子信息技術也將被另外一種技術所代替。

此後十幾年，不斷挑戰半導體產業極限的摩爾定律，也在一次次撞向“天花板”的時候“被死亡”。

關於摩爾定律的唱衰言論層出不窮。2014年國際半導體技術路線圖組織宣佈，下一份路線圖將不再依照摩爾定律。臺積電張忠謀、英偉達黃仁勳等挑戰者更是“語出不遜”，認定摩爾定律不過是苟延殘喘。

顯然，一切並沒有發生。集成電路芯片向5nm甚至3nm製程進發，依然是英特爾、三星、臺積電等半導體廠商孜孜以求的目標。

硬挺到今天的摩爾定律，爲何總能被成功“續一秒”，又是哪些黑科技在幫助它一次次“起死回生”？圍繞在它身上的傳奇和產業競速到底能續寫到什麼時候？接下來，我們就一起走進——摩爾定律的驚魂夜。

薛定諤的摩爾定律之死

在抵達一個個驚險刺激的歷史現場之前，有必要先跟大家聊聊摩爾定律持續“碰壁”的原因。

摩爾定律的定義，歷史上其實被更新過幾次，因此也形成了不同的版本和表達。比如：

集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便增加一倍；

微處理器的性能每隔18個月提高一倍，或價格下降一半；

相同價格所買的電腦，性能每隔18個月增加一倍。

正是沿着這個思路發展，電腦、電話等在強勁的處理器芯片加持之下，纔有了低價格、高性能的可能，進而得以應用於社會每個的每個領域，成就了今天無處不在的信息生活，甚至徹底改變了人類的生活方式。

而在過去的幾十年裏，爲了滿足摩爾定律，半導體行業算是堵上了自己的尊嚴：

提升晶體管的密度與性能，成爲微處理器按“摩爾定律”進化最直接的方法要在微處理器上集成更多的晶體管，芯片製造工藝不斷向天花板逼近，製程節點不斷逼近物理極限。

1971年英特爾發佈的第一個處理器4004，就採用10微米工藝生產，僅包含2300多個晶體管。

隨後，晶體管的製程節點以0.7倍的速度遞減，90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm等等相繼被成功研製出來，最近的戰報是向5nm、3nm突破。

既然大趨勢如此成功，爲什麼“摩爾定律”還會被屢屢宣判失效、死亡呢？

任何一個對指數有所瞭解的人，都會明白這種增長要無限地保持下去是不可能的。“增加一倍”的週期都是18個月，意味着每十年晶體管的數量要提高一百倍。

摩爾自己在演講時也開玩笑說，如果其他行業像半導體這樣發展的話，汽車現在應該一升汽油就能跑幾十萬公里，市中心每小時的停車費可能比勞斯萊斯還要昂貴，還有可能汽車尺寸會縮小到兩寸長根本無法載人……

因此，摩爾本人在談論“摩爾定律”的生命週期時，更同意史蒂芬霍金的說法。後者曾在被問及集成電路的技術極限時，提到了兩個限制：

一是光的極限速度，芯片的運行速度距離光速還很遠；二是物質的原子本質，晶體管已經很接近原子的直徑（0.01納米到0.1納米之間）。

也就是說，摩爾定律想要在當下繼續發展，工程師們就不得不面臨與這兩個最基本的自然法則做鬥爭。聽起來是不是一個很艱難的挑戰？

體現在具體的產業難題上，就是隨着硅片上集成電路密度的增加，其複雜性和差錯率也會呈現指數級的上升。

硅材料芯片被廣爲詬病的便是高溫和漏電。集成電路部件發散的熱量，以及連線電阻增加所產生的熱量，如果無法在工作時及時散發出去，就會導致芯片“罷工”；

此外，晶體管之間的連線越來越細，耗電也就成了大問題。而且導線越細，傳輸信號的時間也就越長，還會直接影響它們處理信號能力。如果電子能直接穿透晶體管中的二氧化硅絕緣層，就會觸發“量子隧穿效應”，完全喪失功能。

要在指甲蓋大小的芯片上以億爲單位來雕刻晶體管，難度就像從月球上精準地定位到地球上的一平方米一樣，這種原子甚至量子級別的集成電路焊接與生產，就對工藝精密度提出了更高的要求。

一邊芯片被要求越做越小，性能越來越高；一邊物理限制又需要晶體管之間保持一定的距離，可不爲難死工程師了嘛。

同時別忘了，摩爾定律還被附加了經濟色彩。除了性能之外，成本/價格的同時下降也被看做是基本要求。

體現到消費級市場，就是用戶們在每兩年，用更少的錢買到性能更高的電腦、手機產品。

但是，技術研發投入與光刻設備的更新換代，都需要半導體廠商耗費大量的資金。

生產精密程度的不斷提升，也需要在製造環節投入更大的人力物力，一代代芯片生產線的設計、規劃、調試成本，也在以指數級增長。

以前，生產130nm晶圓處理器時，生產線需要投資數十億美元，到了90nm時代則高達數百億，超過了核電站的投入規模。按照IBS 的 CEO Handel Jones 的預測，3nm 芯片的研發成本，甚至將達到 令人髮指的40 億至 50 億美元。

爲了攤薄成本，半導體廠商不得不生產更多的芯片，這又會導致單片芯片的利潤回報下降。

很顯然，半導體企業不可能長期“既讓性能翻一倍，又讓價格降一倍”，如果18個月沒有收回成本，就要面臨巨大的資金壓力。

更爲殘酷的是，受軟件複雜性等影響，芯片性能的提升在用戶感知度上也越來越弱。

上世紀八九十年代，晶體管數量增加帶來的性能加成是明顯的。比如奔騰處理器的速度就遠高於486處理器，奔騰2代又比奔騰1代優秀得多。

但正如大家所見的，進入21世紀以來，芯片製程越來越小，但用戶對性能提升的感知度卻不如以往令人驚豔，更新換代的買單慾望也能輕易被控制——等待更具性價比的計算硬件，鎖死了摩爾定律的增長週期。

曾幾何時，谷歌CEO Eric Schmidt 被問及會不會購買 64 位“安騰”處理器時，對方就表示“谷歌已經決定放棄摩爾定律”，不準備購買這種在當時看來的超級處理器。當然，這一決定被歷史證明打臉了。

但也說明，即使廠商完成了前期的燒錢遊戲，也未必能在中短線消費市場上完美收官。

總體而言，過去六十多年裏，半導體行業的快速發展，正是在摩爾定律的推動下實現的，一代代運算速度更快的處理器問世，讓人類徹底走進了信息時代。

與此同時，在芯片焊接和生產已經達到原子級別、接近量子級別的程度之後，摩爾定律也從指導行業進化的“金科玉律”，逐漸變成了捆綁在半導體產業頭上的緊箍咒。

想要繼續發揮作用，必須付出巨大的成本，讓行業舉步維艱、苦不堪言的同時，不斷被唱衰也就成了摩爾定律的宿命。

性能、價格、市場預期，就如同三體世界裏的三個太陽，在半個多世紀的時間裏反覆炙烤着摩爾定律。

接下來，我們就一起回到幾個重要的“碰壁現場”，去看看摩爾定律是如何在一次次瓶頸期“驚險”逃生、鞭策着整個行業繼續爲之奮鬥的。

第一次續命：從MSI到VLSI，

工匠之國日本的崛起

在此前的章節中，我們談論了以DRAM爲代表的VLSI超大規模集成電路的崛起，以及美國、日本在這個技術戰場上的世紀戰爭。

而摩爾定律，既是這場戰爭必然爆發的推動力，也是產業版圖更迭的見證者。

瞭解歷史的人知道， 1975年，在“摩爾定律”發佈的十年後，摩爾本人對定律進行了修改，將原本的“12個月翻一倍”改爲了“18個月”。

當時，摩爾已經離開仙童，與別人一起創立了英特爾。而技術的挑戰也在此時拉開序幕。

1975年，英特爾公司準備推出的一款電荷耦合器件(CCD)存儲芯片中，只有3.2萬個元件，這比摩爾定律預測的千倍增長整整少了一半。

第一個辦法當然是修改定律，將產業週期從12個月延長到18個月。摩爾在一次訪談中曾提及這次修改，不無消極地說，自己的論文只是試圖找到以最低成本生產微型芯片的方式——

“我覺得不會有人會按照它（摩爾定律）來制定商業計劃 ，可能是因爲我還沉浸在第一次預測正確的恐慌當中。我不覺得還會有人關注這個預測。”

翻車的原因在於，摩爾定律提出的1965年，還是小規模集成電路（SSL）時代，芯片內的元件不超過100個。此後，MSI（中規模集成電路）順利地擺渡了十年，生產技術的進步遠遠領先於芯片設計，晶體管數量幾乎每年都會翻番，完美符合摩爾定律。

但接下來，工程師們認爲要在單芯片上集成十萬個晶體管，VLSI階段正式來臨。與此同時，DRAM存儲器、微處理器CPU等芯片產品的出現，在將芯片複雜度發揮到極致的同時，也讓成本的經濟性開始引起重視。

當時，美國半導體產業界已經在實驗室完成了對VLSI的技術突破，爲什麼最後卻是日本成功上位呢？

因爲新時期裏，拯救摩爾定律的不是技術上的突破，而是商業價值上的精進。

DRAM是當時最重要的半導體市場消費品，而其製造的關鍵在於更細 、更密集的電路。面臨的挑戰在於，隨着芯片上元件的增多，晶圓上的隨機缺陷影響加大，導致成品率降低，自然提高了芯片的生產成本，也讓廠商的收益不那麼美好。

必須實現成本下降，才能延續摩爾定律。而日本產業對技術和經濟的平衡，在此時發揮了重要的作用。

1976年，日本以舉國之力啓動了聞名遐邇的超大規模集成電路研究計劃。

由通產省技術專家和官員出面，集合了富士通、日立、三菱、日本電氣（NEC）和東芝等5家公司，共同設立了VLSI研究所。

日本在進軍半導體市場時更注重改進製程，而不是產品上有什麼革命性的突破。日本VLSI研究所的目標，就是在微精細加工、工藝技術、元件技術等等課題上嘗試提升。

VLSI項目實行了4年，於1980年結束，也確實誕生了豐碩的研究成果，大約有1000項發明獲得了專利，這對日本半導體的國際競爭力起到了重大作用。

與此同時，注重製造技術也爲日本半導體公司帶來了全球競爭優勢，雖然不像革命性產品那樣引人注目，但價格和質量卻成爲攻佔市場的重要籌碼。

當時，業界每兩三年便會推出新一代DRAM，存儲能力以倍數上升，消費者們也熱衷於升級存儲條。龐大的市場需求，撞上日本工業界對集成電路的改良，直接從半導體產業大本營——美國手裏搶走了不少市場份額。

1982底，日本的第一代超大規模集成電路的64K RAM已經佔到國際市場的66％，至此，日本在DRAM製造方面的全球領導地位奠定，也使其成爲下一代微芯片的技術領導者。

正是日本在VLSI技術上的發力，讓摩爾定律得以繼續發揚光大。到了1980年代，摩爾定律已經被看到是“DRAM準則”，隨後，微處理器也出現在了曲線上。複雜度（晶體管的數量），以及芯片性能（處理器的操作速度），成爲摩爾定律的主要預測對象，摩爾定律也從此時起成爲業內公認的標準，不少微處理器和存儲器芯片企業根據這一趨勢來制定生產計劃、參與國際競爭。

製程工藝與經濟性的正式融合，讓摩爾定律與半導體發展節奏，從80年代中期開始，開始變得密不可分。

接下來，摩爾定律還會遇到哪些“要命”的挑戰，英特爾爲何被IBM狂打臉，讓芯片廠商改抱上游材料、設備廠商“大腿”的原因有哪些？我們的時光旅程將在《芯片破壁者（六.下）》中繼續……