摩尔定律

摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

发展历程

1965年4月19日，《电子学》杂志（Electronics Magazine）第114页发表了摩尔（时任仙童半导体公司工程师）撰写的文章〈让集成电路填满更多的组件〉，文中预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。

1975年，摩尔在IEEE国际电子组件大会上提交了一篇论文，根据当时的实际情况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”，而普遍流行的说法是“每18个月增加一倍”。但1997年9月，摩尔在接受一次采访时声明，他从来没有说过“每18个月增加一倍”，而且SEMATECH路线图跟随24个月的周期。

大抵而言，若在相同面积的晶圆下生产同样规格的IC，随着制程技术的进步，每隔一年半，IC产出量就可增加一倍，换算为成本，即每隔一年半成本可降低五成，平均每年成本可降低三成多。就摩尔定律延伸，IC技术每隔一年半推进一个世代。

摩尔定律是简单评估半导体技术进展的经验法则，其重要的意义在于长期而言，IC制程技术是以一直线的方式向前推展，使得IC产品能持续降低成本，提升性能，增加功能。

1998年时，台积电董事长张忠谋曾表示，摩尔定律在过去30年相当有效，未来10到15年应依然适用。

但最新的一项研究发现，“摩尔定律”的时代将会退出，因为研究和实验室的成本需求十分高昂，而有财力投资在创建和维护芯片工厂的企业很少。而且制程也越来越接近半导体的物理极限，将会难以再缩小下去。

由于高纯硅的独特性，集成度越高，晶体管的价格越便宜，这样也就引出了摩尔定律的经济学效益，在20世纪60年代初，一个晶体管要10美元左右，但随着晶体管越来越小，直小到一根头发丝上可以放1000个晶体管时，每个晶体管的价格只有千分之一美分。据有关统计，按运算10万次乘法的价格算，IBM704计算机为85美分，IBM709降到17美分，而60年代中期IBM耗资50亿研制的IBM360系统计算机已变为3.0美分。 摩尔定律的定义归纳起来，主要有以下三种版本：

集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一倍。

微处理器的性能每隔18个月提高一倍，或价格下降一半。

用一个美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两倍。

发现背景

早在1959年，美国著名半导体厂商仙童公司首先推出了平面型晶体管，紧接着于1961年又推出了平面型集成电路。这种平面型制造工艺是在研磨得很平的硅片上，采用一种所谓“光刻”技术来形成半导体电路的元器件，如二极管、三极管、电阻和电容等。

只要“光刻”的精度不断提高，元器件的密度也会相应提高，从而具有极大的发展潜力。因此平面工艺被认为是“整个半导体的工业键”，也是摩尔定律问世的技术基础。

1965年时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔应邀为《电子学》杂志35周年专刊写了一篇观察评论报告，题目是：“让集成电路填满更多的元件”。在摩尔开始绘制数据时，发现了一个惊人的趋势：每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量，每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18-24个月内。

如果这个趋势继续的话，计算能力相对于时间周期将呈指数式的上升。摩尔的观察资料，就是后来的摩尔定律，所阐述的趋势一直延续至今，且仍不同寻常地准确。

人们还发现这不光适用于对存储器芯片的描述，也精确地说明了处理机能力和磁盘驱动器存储容量的发展。该定律成为许多工业对于性能预测的基础。在26年的时间里，芯片上的晶体管数量增加了3200多倍，从1971年推出的第一款4004的2300个增加到奔腾II处理器的750万个。

发现人物

戈登·摩尔（Gordon Moore,1929-）：英特尔公司（Intel）的创始人之一。

1950年，摩尔获得了学士学位，接着他继续深造，于1954年获得物理化学博士学位。

1965年，提出“摩尔定律”。

另一种说法

摩尔定律虽然以戈登·摩尔（Gordon Moore）的名字命名，但最早提出摩尔定律相关内容的并非摩尔，而是加州理工学院的卡沃·米德（Carver Mead）教授。

米德是最早关注到摩尔定律所提出的晶体管之类的产量增加，就会引起其价格下降现象的。米德指出，如果给定价格的电脑处理能力每两年提高一倍，那么这一价位的电脑处理装置同期就会降价一半。

定律验证

广义验证

年PentiumII处理器上的7.5百万个，26年内增加了3200倍。如果按“每两年翻一番”的预测，26年中应包括13个翻番周期，每经过一个周期，芯片上集成的元件数应提高2n倍（0≤n≤12），因此到第13个周期即26年后元件数这与实际的增长倍数3200倍可以算是相当接近了。

摩尔定律

微处理器方面，从1979年的8086和8088，到1982年的80286，1985年的80386，1989年的80486，1993年的Pentium，1996年的PentiumPro，1997年的PentiumII，功能越来越强，价格越来越低，每一次更新换代都是摩尔定律的直接结果。与此同时PC机的内存储器容量由最早的480k扩大到8M，16M，与摩尔定律更为吻合。

系统软件方面，早期的计算机由于存储容量的限制，系统软件的规模和功能受到很大限制，随着内存容量按照摩尔定律的速度呈指数增长，系统软件不再局限于狭小的空间，其所包含的程序代码的行数也剧增：Basic的源代码在1975年只有4，000行，20年后发展到大约50万行。微软的文字处理软件Word，1982年的第一版含有27，000行代码，20年后增加到大约200万行。有人将其发展速度绘制一条曲线后发现，软件的规模和复杂性的增长速度甚至超过了摩尔定律。系统软件的发展反过来又提高了对处理器和存储芯片的需求，从而刺激了集成电路的更快发展。

摩尔定律并非数学、物理定律，而是对发展趋势的一种分析预测，因此，无论是它的文字表述还是定量计算，都应当容许一定的宽裕度。从这个意义上看，摩尔的预言是准确而难能可贵的，所以才会得到业界人士的公认，并产生巨大的反响。

修正演化

修正

1975年，摩尔在国际电信联盟IEEE的学术年会上提交了一篇论文，根据当时的实际情况，对“密度每年一番”的增长率进行了重新审定和修正。按照摩尔本人1997年9月接受《科学的美国人》一名编辑采访时的说法，他当年是把“每年翻一番”改为“每两年翻一番”。实际上，后来更准确的时间是两者的平均:18个月。

演化

摩尔第二定律：摩尔定律提出30年来，集成电路芯片的性能的确得到了大幅度的提高；但另一方面，Intel高层人士开始注意到芯片生产厂的成本也在相应提高。1995年，Intel董事会主席罗伯特·诺伊斯预见到摩尔定律将受到经济因素的制约。同年，摩尔在《经济学家》杂志上撰文写道：“现在令我感到最为担心的是成本的增加，…这是另一条指数曲线”。他的这一说法被人称为摩尔第二定律。

新摩尔定律：中国IT专业媒体上出现了“新摩尔定律”的提法，指的是中国Internet联网主机数和上网用户人数的递增速度，大约每半年就翻一番。而且专家们预言，这一趋势在未来若干年内仍将保持下去。

意义介绍

“摩尔定律”归纳了信息技术进步的速度。在摩尔定律应用的40多年里，计算机从神秘不可近的庞然大物变成多数人都不可或缺的工具，信息技术由实验室进入无数个普通家庭，因特网将全世界联系起来，多媒体视听设备丰富着每个人的生活。　　由于高纯硅的独特性，集成度越高，晶体管的价格越便宜，这样也就引出了摩尔定律的经济学效益。在20世纪60年代初，一个晶体管要10美元左右，但随着晶体管越来越小，直到小到一根头发丝上可以放1000个晶体管时，每个晶体管的价格只有千分之一美分。据有关统计，按运算10万次乘法的价格算，IBM704电脑为1美元，IBM709降到20美分，而60年代中期IBM耗资50亿研制的IBM360系统电脑已变为3.5美分。　　“摩尔定律”对整个世界意义深远。在回顾40多年来半导体芯片业的进展并展望其未来时，信息技术专家们认为，在以后“摩尔定律”可能还会适用。但随着晶体管电路逐渐接近性能极限，这一定律终将走到尽头。40多年中，半导体芯片的集成化趋势一如摩尔的预测，推动了整个信息技术产业的发展，进而给千家万户的生活带来变化。

发展前景

微处理器芯片Pentium4的主频已高达2GHz，2011年推出了含有10亿个晶体管、每秒可执行1千亿条指令的芯片。这种发展速度是否会无止境地持续下去是成为人们所思考的问题。

　　从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。一旦芯片上线条的宽度达到纳米（10^-9米）数量级时，相当于只有几个分子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，摩尔定律也就要走到尽头。

物理学家加来道雄（Michio Kaku）是纽约城市大学一名理论物理学教授，2012年接受采访时称摩尔定律在叱咤芯片产业47年风云之久后，正日渐走向崩溃。这将对计算机处理进程产生重大影响。在未来十年左右的时间内，摩尔定律就会崩溃，单靠标准的硅材料技术，计算能力无法维持快速的指数倍增长。　　加来道雄表示导致摩尔定律失效的两大主因是高温和漏电。这也正是硅材料寿命终结的原因。加来道雄表示这与科学家们最初预测摩尔定律没落大相径庭。科学家应该能继续挖掘硅部件的潜力，从而在未来几年时间里维持摩尔定律的生命力；但在3D芯片等技术也都耗尽潜力以后，那么也就将达到极限。　　各领域科学家以及产业分析师们都预测到了摩尔定律的失效。然而研究者们同时又提出，不断进步的芯片结构和部件使得摩尔定律在今天依然有效。就连被称作“建立在摩尔定律之上”的Intel公司宣布随着采用纳米导线等技术的新型晶体管逐渐取代传统的半导体晶体管，已经进入“大叔”级别的“摩尔定律”，将不能继续引领电子设备发展的节奏。

基于摩尔定律的这种情况，业界提出了“More-Than-Moore”（简称MTM，即“超越摩尔定律”），试图从更多的途径来维护摩尔定律的发展趋势，并且从摩尔定律的“更多更快”，发展到MTM的“更好更全面”。摩尔定律在Logic类和Memory类的集成电路的发展中提出和得到验证，而MTM则适用于更多类型的集成电路，如Analog、RF、Image Sensor、Embedded DRAM、Embedded FLASH、MEMS、High Voltage等，通过改变基础的晶体管结构（SOI、FIN-FET），各类型电路兼容工艺，先进封装（晶圆级封装、SiP、3D多芯片封装）等技术，使一个系统级芯片能支持越来越多的功能，同样可以降低芯片的成本、提高电路的等效集成度。

专家预测

突破研究

2012年10月28日，美国IBM研究所科学家宣称，最新研制的碳纳米管芯片符合了“摩尔定律”周期，依据摩尔定律，计算机芯片每18个月集成度翻番，价格减半。传统的晶体管是由硅制成，然而2011年来硅晶体管已接近了原子等级，达到了物理极限，由于这种物质的自然属性，硅晶体管的运行速度和性能难有突破性发展。

IBM公司的研究人员在一个硅芯片上放置了1万多个碳纳米晶体管，碳纳米晶体管的电子比硅质设备运行得更快。它们也是晶体管最理想的结构形式。这些优异的性能将成为替代硅晶体管的原因，同时结合新芯片设计架构，未来将使微型等级芯片实现计算机创新。

研究人员发现，电子被捕获进一个接口处具有一层氧化物或者金属的半导体后就很容易被抽进空气中，藏匿于该接口处的电子会形成一层电荷，而且该电子层内部的带电粒子之间的库伦排斥力也会使电子很容易从硅中释放出来。他们通过施加很少量的电压，有效地从硅结构中提取出了电子，随后再将电子置于空气中，使它们能在纳米尺度的通道内行进，而不会遇到任何的碰撞或者发生散射。

生物学应用

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（什么物理原因造成了摩尔定律的危机？谁来拯救它？院士推荐！）

基本信息

作者：张天蓉

书号：9787302368458

定价：35元

开本：148×210mm

页数：240

出版时间：2014.12.1

到货日期：2014.12.15

发货折扣：55折

上架建议：科普/物理

中图法分类：TN01-49

版次：第1版

印次：第1次

平装

编辑推荐

量子、能带、晶格、玻色子、自旋、费米子、霍尔效应、凝聚态、拓扑绝缘体···

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解读这些大师们的科学工作及趣闻轶事

《电子，电子!谁来拯救摩尔定律》由原点阅读出品。

原点阅读（The Origin）(微信号：ydreadtup)，清华大学出版社旗下的图书品牌，秉承“科学，让个人更智慧，让社会更理性”的理念，致力于科学普及和科技文化类图书的出版，传播科学知识、科学精神、科学方法，展现科学的真实、独立、智慧、多变、宽容、动人及迷人。

媒体评论

《电子，电子！谁能拯救摩尔定律？》是作者的第三本科普著作。她的著作有一个共同特点，都能把趣味性、易读性与物理学的严谨性很好地结合起来。与多数科普著作相比较，她的书包含更多对物理规律的描述，给读者以直观的解释又不会产生误解。

——戴元本 中国科学院院士

作者简介

张天蓉，女。美国得州奥斯汀大学理论物理博士，现住美国芝加哥。研究课题包括广义相对论、黑洞辐射、费曼路径积分、毫微微秒激光、集成电路EDA软件等。发表专业论文三十余篇。2008年出版科普小说《新东方夜谭》；2010年11月出版悬疑小说《美国房客》。2012年开始，在科学网发表一系列科普博文，其文风深入浅出，趣味盎然，亦保持科学的严谨性，深得读者喜爱。是第六版《十万个为什么》物理卷参编者之一。2013年出版科普读物：《蝴蝶效应之谜:走近分形与混沌》和《世纪幽灵:走近量子纠缠》。

内容简介

什么原因造成了摩尔定律的危机？谁来拯救它？电子技术背后有哪些物理理论？相关的物理学家们当前在研究些什么热门课题？他们的研究成果能延续摩尔定律吗？电子在半导体中是怎样舞蹈的？此书将带你走近与此有关的物理及工程领域，从回顾半导体以及电的历史开始，到三只脚的魔术师—晶体管的发明；从原子模型的历史演化，到热门的自旋电子学研究，一直到目前的纳米技术以及凝聚态中的前沿进展，诸如量子霍尔效应、拓扑绝缘体，等等。

前言

每个人都知道，今天的世界和50年前完全不一样。这不同主要表现在哪里？如果让你用两个字来概括这50年中的差异的话，恐怕大多数人会说出“信息”这两个字。的确是如此，今天的世界中，有恢弘无际的网络，漫天飞舞的电磁波，还有多到要爆炸的信息，它们充满了世界的每个角落，随时可闻、无处不在。50年前有关通信的诸多梦想，如今都已成为现实。这一切用一句话来概括：人类迈入了信息社会。然而，是什么在支撑着这个信息社会呢？毋庸置疑，是近年来蓬勃发展、如日中天的各种高科技技术。其中包括各类计算机技术、软件、网络、通讯、信息、人工智能、云计算……不胜枚举。而在这些形形色色、五花八门的技术后面，又有一个最基础和最重要的，那就是集成电路技术。

55年前，第一个半导体集成电路问世，由此而为半导体产业带来了革命性的变化，也从而才加速了各类技术的发展进程。1965年，与集成电路发明人之一罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）一起创办英特尔公司的戈登·摩尔（Gordon Moore），提出了著名的摩尔定律。他预言：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，而集成电路的性能（计算能力）也将提升一倍。

几十年来，集成电路的演进似乎的确遵循着摩尔预言的这种指数规律。但是，仅仅依靠工程技术的演化，不可能将这种发展速度永远继续下去。近年来，摩尔定律面临挑战，遭遇瓶颈，集成电路在进一步发展的道路上，碰到了难以解决的问题。

集成电路的基础材料是半导体，其工作机制是默默隐藏于它背后、鲜有人知的物理原理。换言之，是基于量子理论而建立起来的固体物理理论，赋予了集成电路技术那种“体积不断缩小、速度不断加快”的超级能力。电子技术几十年来的突飞猛进是根源于物理学中量子理论的成功。而如今，怎样才能挽救摩尔定律呢？可以用上中国人的一句老话：解铃还须系铃人。还是得回到基本物理的层面上，才有可能克服摩尔定律的瓶颈问题。

读了上面的文字，喜欢思考的你可能会冒出一大堆问题：什么物理原因造成了摩尔定律的危机？谁来拯救它？电子技术背后有哪些物理理论？相关的物理学家们当前在研究些什么热门课题？他们的研究成果能延续摩尔定律吗？

与电子技术同行，物理学也走过了它半个世纪的辉煌历程，当研究者们从工程界再转过头来回顾基础物理研究时，同样感到大吃一惊。物理学家们半个世纪的努力，正在初现端倪。上世纪中，前50年物理学的两个重大革命成果：量子力学和相对论，正在被后50年以及新世纪十几年中越来越多的实验结果和天文观测现象所证实。理论物理学的研究方向，除了一如既往地“上穷碧落下黄泉”，追寻时空尺度极大和极小两个极端之外，也朝着复杂性的方向发展。这其中，混沌理论和凝聚态物理便是典型的例子。

五十年之前，集成电路刚出现的时候，其中大多数利用的是半导体物理的知识。五十年后，从半导体物理及固体物理发展起来的凝聚态物理更引起了专家们的关注。特别是凝聚态实验中发现的大量新型材料、各类性质奇特的物态、以及对常温下超导超流的研究，更是激发起人们对新功能材料无限的遐想和憧憬，为电子技术的变革开启了大门。

科学技术发展的历史证明，技术领域的危机往往是科学研究的契机。如前所述，集成电路的发展碰到了困难，而凝聚态物理研究中层出不穷、令人眼化缭乱的新成果、新物态，却有可能为电子技术发掘出优越的新型材料，从而解决工程技术的困难，挽救摩尔定律。

无论是工程上使用的半导体材料，还是凝聚态物理研究中形形色色的量子物态，电子运动的模式都在其中起着至关重要的作用。电子，这个美妙的舞者，按照量子力学的规律，在微观世界里跳着各种奇特的舞蹈！那么，你是否想了解：电子在半导体中是怎样舞蹈的？在不同量子态中，又如何才能充分发挥电子的更多、更奇特的内禀属性，比如自旋，让电子跳出更美妙、更有实用价值的舞蹈来？

为此，本书作者将带领你探索这些问题的答案，将带你走近与此有关的物理及工程领域。从回顾半导体的历史，以及电的历史开始，到三只脚的魔术师—晶体管的发明；从原子模型的历史演化，到热门的自旋电子学研究，一直到目前的纳米技术以及凝聚态中的前沿进展：诸如量子霍尔效应，拓扑绝缘体等等，本书中都有精彩的介绍。。

第一章主要是回顾历史；第二章则以固体中的能带论为主线，描述电子如何在费米能级附近舞蹈，从而从物理角度解释半导体器件的工作原理；第三章介绍近年发展的自旋电子学；第四章则讨论凝聚态物理中的各种量子霍尔态。

本书既讲科学，也说技术。既聊历史，也谈现状。既介绍科学家们所作的工作，也侃他们的趣闻轶事和个性生平。它不仅仅是一本限于物理学的科普书，而是横跨了科学和技术多个领域。它不仅讲解电子器件，也深刻剖析其中的工作原理。既有半导体及凝聚态物理的历史，也有这些领域最新的发展状况。在讲述电子学历史的过程中，又介绍这些发现发明背后隐藏的物理。此外，也介绍了近年来各种纳米新材料的基本概念、有趣性质，以及它们的应用和前景。

电子技术及物理科学的大门敞开着，等待年轻人的参与，但愿这本书能带你轻松入门。

目录

序言 - 戴元本

前言

第一章：点石成金

1.1 法拉第初识半导体

1.2敏感的半导体

1.3猫胡子侦测器

1.4闪电大师特斯拉

1.5点石成金

第二章：独立特行的电子

2.1原子模型的变迁

2.2能带论-为电子造房子

2.3倒格子空间

2.4布洛赫波和布里渊区

2.5电子如何分房入住？

2.6接触产生奇迹

2.7三条腿的魔术师

第三章：电子自旋舞

3.1巨磁电阻效应

3.2自旋登上舞台

3.3自旋电子学

3.4与磁共舞

3.5自旋转移力矩

3.6几个简单自旋器件

第四章：霍尔圆舞曲

4.1朗道的故事

4.2物质的千姿百“相”

4.3霍尔效应大家族

4.4量子霍尔效应

4.5洗澡水中的小孩

4.6拓扑绝缘体

附录

附录A：费米子和玻色子

附录B：布拉菲格子、布拉格衍射、布洛赫波、布里渊区

附录C：周期势场中的能带

附录D：电磁势和规范变换

附录E：拓扑简介

附录F：纤维丛和陈类

参考文献

序言

《电子，电子!谁来拯救摩尔定律》作者张天蓉博士早年在美国德克萨斯大学奥斯汀分校取得学位，受教于著名物理学家，对物理学有很好的理解。近几年来她从事于科普书籍的写作，已经出版了《蝴蝶效应之谜:走近分形与混沌》和《世纪幽灵:走近量子纠缠》两本书，本书是她的第三本科普著作。她的著作有一个共同特点，都能把趣味性和易读性与物理学的严谨性很好地结合起来。与多数科普著作相比较，她的书包含更多对物理规律的描述，给读者以直观的解释又不会产生误解。这已为作者赢得许多赞誉。

《电子，电子!谁来拯救摩尔定律》一书内容丰富，从法拉第的电磁感应实验到半导体晶体管、磁盘储存系统再到近年中新发展起来的自旋电子学和拓扑绝缘体，两百多年来与电磁有关的物理学和技术的发展都有叙述。其中既有许多著名物理学家和发明家的丰功伟绩和趣闻轶事，也有对一系列，有时是颇为深奥的，物理规律的解释。因此，我相信本书不仅会被科技爱好者和学生所喜欢，从中学到许多知识和受到创新的激励，也能使从事与电子技术有关工作的专业人士从中受益。

中国科学院理论物理研究所研究员

中国科学院院士

戴元本