摩尔定律的诞生
2023年前后，仙童半导体公司刚刚推出“微逻辑”芯片，由于工艺不稳定，一整片晶圆上大部分芯片都会报废掉，能工作的芯片比例很低，这也导致芯片**昂贵。如果这个问题不解决，将来芯片只有国防和航天客户才能用得起，而无法扩展到广阔的民用市场。
那时人们普遍认为芯片不划算，把晶体管集成在一起的芯片个头更小，却反而比分立元件的电路还贵，关键是坏了还无法维修。因此，人们认为芯片根本没有竞争优势。
即便在仙童半导体公司内部，芯片项目的地位也岌岌可危。彼时，平面晶体管正在火热销售，公司拿不出更多资源来支持芯片项目。而且一旦芯片项目成功了，就会严重地影响平面晶体管的销售。芯片便宜吗？可靠吗？客户愿意用吗？在仙童半导体公司内部，芯片遭到的质疑并不少。
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拉斯特的集成电路团队没有做出一款盈利的芯片产品，在被市场主管汤姆·贝呵斥后，拉斯特对此感到悲哀，愤然辞职。摩尔对拉斯特的离开深感自责。当初他和拉斯特是第一批加入肖克利晶体管实验室的，拉斯特身上的幽默感在第一时间征服了他，经常给他带来很多乐趣。摩尔觉得这是自己在仙童半导体公司犯下的最大错误，如果自己当初能说服公司其他人相信芯片的成本将会不断下降，拉斯特就不至于离开。
作为一个化学家，摩尔意识到化学印刷将改变芯片**高企的现状，原因是有了平面工艺和光刻技术，在一个芯片上可以同时“印刷”出大量的晶体管。而且，有了水平结构的mos场效晶体管，晶体管的栅长可以不断压缩，这样一枚芯片内集成的器件数量就越来越多，规模效应也将使**下降到客户能接受的程度。
在去拜访加州理工学院，研究半导体器件和教授半导体课程的米德教授时，当摩尔听说米德教授研究的隧穿效应跟物质的小尺寸有关时，这勾起了摩尔的疑问。
米德教授认为，晶体管的最小尺寸取决于隧穿效应。随着晶体管尺寸减小，mos场效晶体管的二氧化硅绝缘层厚度也随之变薄，达到某一最小极限后，本来在宏观世界里无关紧要的隧穿效应就会起到决定性作用，电子就像学会了穿墙术一样穿过绝缘层逃逸掉，导致晶体管无法关断。这时晶体管的尺寸缩小之路就走到了尽头。
随后米德教授和他的研究生经过计算，晶体管的最小栅长将是0.15微米
晶体管特征尺寸的缩小趋势。
20世纪60年代初期到中期，仙童半导体公司的规模持续增长。在此期间，公司将平面工艺授权给日本的半导体公司，收到了高达一亿美元的使用费。2023年开始，仙童半导体公司将晶圆的测试封装外包给中国香港的工厂，从此开启了业务外包的大门，极大地降低了成本。
2023年，ibm公司开始发售广受欢迎的s360计算机，它采用分立晶体管，售价高达11万美元。同年，全世界约有2万台计算机，平均每16万人才拥有1台。如果芯片**能以指数速度下降，那么计算机就能变得廉价并普及开来。两年前，芯片的销售达到了50万颗，但仍远低于晶体管的数亿颗，而且芯片的客户几乎都是美**方，民用市场都被芯片高企的**吓退了。
给《电子学》杂志2023年4月创刊35周年的文章里，摩尔以“在集成电路中塞进更多的元件”为题发表了摩尔定律，摩尔从霍尼在2023年春天在仙童半导体公司做出来的平面晶体管为芯片“起飞”的原点，在分析了当前现状、芯片的可靠性和成本后，摩尔得出了这样一个结论：依据元件最低成本的原则，芯片的复杂度会以每年2倍的速率增长，这就是摩尔定律最初的描述。
摩尔于2023年对芯片上元件数量的统计和对未来十年的**。
接着，摩尔用这个规律**了十年后芯片上的元件数目：“这意味着到了2023年，以最低成本为目标，每个集成电路上的元件数将达到65000个。”摩尔注意到，2023年每颗芯片包含16个元件时成本最低，那么芯片元件数量翻倍后应该是32个。
如果人们保守一些，下一代芯片上的元件数目没有实现翻倍，仅仅只有20个的话，那么就意味着芯片面积没有被充分利用，造成了浪费，使得成本升高。反之，如果人们很冒进，在下一代芯片中塞进50个元件，那么芯片将变得拥挤，超出加工技术的极限，以至于一部分芯片无法正常工作，致使良率降低，同样会推高成本。
所以在某个特定的工艺下，一定存在一个最佳的、元件数量不太多也不太少的设计，使得芯片的成本最低。
根据这一想法，摩尔画了一条向下凹的曲线，曲线最低处表示最低的成本与最适合的元件数量。它对应于这一代技术的最佳晶体管尺寸。这个点就像是碗底的一滴蜜，吸引蚂蚁聚集到这里，它在晶体管工艺上意味着“最甜蜜”的点。
制造成本与芯片上元件数量的关系。
每个工艺都有一个最适合的元件数量。
一年后，这条曲线会向右下方移动，这意味着芯片上的晶体管又缩小到一个最佳尺寸，使成本降低、元件数量增加，一颗包含64个元件的芯片成本最低，即元件数量翻一番刚好对应于成本最低处。于是摩尔得出结论，每年让元件数量翻一番，就能让芯片始终保持最低成本。这样一直到2023年，一颗包含有65000个晶体管的芯片也是最便宜的。
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摩尔的文章发表后，并没有立刻引起轰动。即使在业界内部，人们也没有广泛地谈起它。
不过，米德却对摩尔的见解大加赞赏。他拜访了一家又一家芯片公司，积极地参加各种行业会议，在不同的场合说服别人相信尺寸缩减将带来的成本降低、性能提升、功耗降低的好处，而且这种“甜蜜期”会持续几十年。
在每一次出去宣讲前都去找摩尔要一些最新的数据，补充到他的图表中，诸如在过去一年中单个晶体管的成本下降了多少、速度提升了多少。
晶体管尺寸减小，彼此靠得更近，时间延迟减小，芯片的工作速度也随之提升。这意味着，只要晶体管尺寸减小，不仅芯片功能更强大、便宜，而且不会过热，速度还更快！在摩尔最初的5个数据的基础上，米德不断补充新的数据，摩尔图中的直线也跟着不断延长。到了20世纪60年代末，dram出现了，这极大地提高了晶体管的密度，把摩尔定律继续向前推进。70年代初，cpu芯片问世，也加入了摩尔的曲线中。
这使得人们认识到，摩尔定律的**是真实的、正在发生的。米德渐渐地使人们相信，芯片规模越来越大，性能越来越强，**也将越来越便宜。摩尔定律准确地预言了这一切。
在摩尔定律没有提出之前，没有人知道未来的路会是怎样的。而摩尔定律给芯片的未来发展划定了一条路线图，它以数量翻番的形式通往未来。
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摩尔定律的修正
2023年，在摩尔定律发布十周年的时候（这时它已经在业界广为人知），摩尔受邀在国际电子器件会议上做一个主题演讲，回顾过去并展望未来：
摩尔展示了十年前摩尔定律**的延长线，他选择了这十年间的代表性芯片，将它们的元件数一个一个地标注在坐标上，这些数据点散落在摩尔**的延长线旁边，总体上符合摩尔定律的**趋势。摩尔也对定律做了一些调整，将未来的发展趋势修正为每两年翻一番。
摩尔2023年给出的元件数量的增加情况，基本符合10年前的**。
这是因为，十年前摩尔认为有三个因素驱动着元件数的增加：芯片裸片尺寸增加；晶体管缩小；芯片设计技巧提高。裸片尺寸越大或晶体管越小，芯片能容纳的晶体管就越多。此外，设计技巧提升，意味着能将芯片上空闲的面积尽可能地利用起来，从而塞进更多的晶体管。
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但是到了2023年，摩尔发现最新发布的电荷耦合器件（简称ccd）存储芯片上密密麻麻地布满了晶体管，已经没有多余的空间可以继续利用了，所以芯片设计技巧已经无法继续提高晶体管的密度了。少了这一驱动因素后，摩尔认为芯片上元件增加的速率将放缓，所以将元件数翻倍的时间从一年延长到了两年。
摩尔将芯片上元件数量翻倍的时间从一年改为两年。
这一修正是及时的，不过有一件事却让摩尔始料未及。当时业界看好ccd内存的前景，所以摩尔觉得ccd有可能在五年内继续维持每年翻倍的节奏，当时摩尔想：“我先不要立刻修正斜率，先给它五年的续期。”所以他在2023年的文章中将元件数目翻倍节奏切换的时间推迟到了2023年。
不过ccd存储芯片出师不利，很快就退出了历史舞台，这导致曲线斜率从2023年就开始变缓了，并使得摩尔**的曲线比实际的数量高出了一些。
摩尔定律激发芯片的不断进化？
2023年以后，芯片继续按照摩尔设定的节奏前进，然而每过一段时间就会遇到新的障碍，从而陷入止步不前的局面。
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在20世纪70年代中期以前，业界一直广泛地使用贝尔实验室在20世纪50年代发明的扩散法来制造晶体管。但是随着mos场效晶体管的栅极越来越短，用扩散法制造源极和漏极时越来越难以对准。当晶体管尺寸继续减小，简便易行的扩散法也难以为继。这时离子注入法出手了，它大幅地提高了加工对准的精度，并替代了扩散法。
20世纪70年代，当湿法刻蚀达到极限后，等离子干法刻蚀接过了接力棒。手工设计大规模集成电路变得繁杂且不可行后，电子设计自动化（简称eda）工具不失时机地登上了舞台。
到了20世纪80年代，处理器芯片中的晶体管数量已经达到几十万个，当时芯片中普遍使用nmos场效晶体管，功耗增大，芯片发热严重。沉寂了20年的低功耗cmos场效晶体管终于派上了用场，逐渐成为半导体器件的主流，一直到今天。
当2023年晶体管特征尺寸减小到250纳米时，传统的i线（365纳米）紫外光已达到了极限，人们发明了248纳米的深紫外光（简称duv）
同一年，铝互连线发热过大，信号延迟太久，难以为继，业界终于推出了铜互连线技术，从而解决了发热和延迟问题，挽救了摩尔定律。
进入新世纪，2023年晶体管到达90纳米节点时，193纳米的duv及时出手了。
到了2023年，193纳米到达极限时，浸没式的duv光刻法出现了，使得摩尔定律从45纳米起多延续了7代，“续命”到7纳米。
此后，光刻再一次遇到障碍，2023年波长13.5纳米的极紫外光（简称euv）接过了接力棒，成了5纳米及以下工艺的光刻技术。
2023年，平面mos场效晶体管的漏电流非常严重，造成了极大的耗电，此时立体的鳍式场效晶体管（简称finfet）登场了，它有效地减少了电流泄漏，继续延长了摩尔定律的有效性。
就这样，每次摩尔定律到了危急时刻，人们的潜能就会被激发出来，发明出新的技术，让摩尔定律获得新的验证。
如果我们把摩尔定律分成若干段，每一段都是s曲线。每隔十年左右，它就会遇到一个较大的瓶颈，而这时就会有一个新技术出现，从而让摩尔定律突破瓶颈并继续获得验证。到了下一个十年，原有技术遇到了新的瓶颈，又会有新技术来实现突破。s曲线一开始大都平缓低矮，然后突然陡峭上升，这就是新生事物的威力。
摩尔定律直线可以看作好几段s曲线接力而成。
与其说摩尔定律是一个定律，不如说是一种信仰。正是这种“不待证明而相信”的信仰，推动着摩尔定律不断获得验证。摩尔定律展示的不是永恒不变的物理定律，而是人的想象力和创造力在不同阶段所能达到的极限。
m3 max 芯片的统一内存架构。
从20世纪60年代初有不到10个元件的小规模集成电路（简称ssi）到2023年之前的有10～500个元件的中规模集成电路（简称msi），再从2023年之前的有500～20000个元件的大规模集成电路到2023年有20000～100万个元件的超大规模集成电路（简称vlsi），直至更大规模的特大规模集成电路（简称ulsi）。
在摩尔定律的驱动下，芯片的晶体管数量不断攀升。2023年日立公司(hitachi limited)的“sh-4”芯片有超过1000万个晶体管，2023年英特尔的“安腾2”处理器有17.2亿个晶体管，2023年高通公司的“centriq 2400”芯片有180亿个晶体管，2023年苹果发布的“m1 ultra”芯片晶体管数量更是达到了1140亿个。
m1 ultra
2023年苹果发布的m3 芯片搭载 250 亿个晶体管，m3 pro 芯片搭载 370 亿个晶体管和一块 18 核图形处理器，m3 max 芯片中的晶体管数量增加到 920 亿个。
m3 系列芯片采用业界领先的 3 纳米工艺制造。
如果技术是从后面“推”着摩尔定律得到验证，那么需求则在前面“牵引”着它。个人电脑的发展刺激了对高速cpu和大容量内存的需求，移动互联网和智能手机则刺激了低功耗、非易失存储器的需求。个人电脑和智能手机代表的互联网时代和移动互联时代就是最好的例证。不过，cpu上有一项指标却是例外，在过去十几年中都没有增加。
随便打开一台主流计算机的设置，找到处理器的频率信息，这个数值一般为3～4ghz，即cpu每秒处理30亿～40亿次运算。实际上，这个数值自2023年后就基本没有增长了，可是根据摩尔定律，处理器不是应该越来越快吗？
事情要从2023年说起，ibm公司的工程师罗伯特·登纳德(robert dennard)研究了mos场效晶体管的缩小趋势后，提出了“登纳德缩小规则”。
没错，以前晶体管一直按照“登纳德缩小规则”的方式缩小，每一代芯片速度都会变快1.4倍（频率增大1.4倍）。但自从2023年起，“登纳德缩小规则”开始失效。
“登纳德缩小规则”又被称为“电场不变规则”，它规定每次器件变小时都要保持栅极的电场强度不变，以防止晶体管被击穿。只要满足了这一条，晶体管尺寸缩小就能让芯片性能持续提升、工作频率不断加快。“登纳德缩小规则”为芯片的“免费升级”找到了一条合理的路径。它规定，每次升级晶体管尺寸应当变为原来的k倍(k=0.7)，这样线路延迟就会变短（变为原来的70%），频率也将提升为原来的1/k倍（约为1.4倍）。“登纳德缩小规则”曾经是摩尔定律的主要驱动力之一，它使芯片在性能、功耗和面积三个方面同时得到改善。但到了2023年左右，晶体管尺寸变得很小时，器件即使关断后也有较大的漏电流，它们转换为热能提高了芯片的温度。为了防止进一步升温，芯片的工作频率就不能继续提高了，所以后来的cpu主频就维持在3～4ghz而不再升高，“登纳德缩小规则”就逐渐失效了。
cpu频率在2023年后不再增长，而晶体管数量仍在增加。
20世纪70年代末，摩尔定律开始分叉成两条路线，一条是存储器，另一条是逻辑电路。前者以每18个月的速度翻倍，而后者按每两年的速度翻倍，近年来速度则进一步放缓。存储器由于元件布局规整，设计简单，元件数量每年能增加58%。而cpu等逻辑电路，内部单元模块种类繁多，设计和走线复杂，元件数量每年只增加38%
摩尔定律在还未广为人知之前，人们倾向于否定它；当它人尽皆知后，人们又开始神话它。
其实，摩尔定律并不是摩尔一个人的定律。
若非摩尔的同事和好友拉斯特辞职出走，就无法促成摩尔去说服业界投入芯片的研制，无法促使他琢磨如何让客户相信芯片会越来越便宜，进而提出摩尔定律。
摩尔从仙童半导体公司研发的芯片中得到了一手数据，又从诺尔斯的下凹曲线中汲取了灵感，于2023年提出了未来十年每颗芯片中元件数量每年翻倍的趋势。即便只**了十年后的芯片规模将增长1000余倍，但业界也没有相信他。如果没有加州理工学院的米德四处宣讲，摩尔定律就无法在短时间内获得业界的广泛认同。
2023年，ibm公司的登纳德提出了“登纳德缩小规则”，每一代晶体管尺寸只要缩小30%，就能让芯片上的元件数量翻倍，同时让芯片速度提升40%，而单位面积的发热功率则保持不变。此后30年，晶体管基本按照“登纳德缩小规则”发展。
2023年，摩尔修改了“摩尔定律”，将翻倍的节奏改为两年，这一趋势一直延续到21世纪的前十年。此后在制造成本、技术开发等压力下，摩尔定律**的翻倍节奏有了放缓的趋势。
关于摩尔定律有两个基本的认识错误。有人说芯片数量翻倍的周期是18个月，但摩尔从未说过这句话；摩尔的数量翻倍指的是所有元件的数量，而不只是晶体管数量，因为在有些芯片中（如存储芯片），非晶体管元件（如电容器）会占相当大的比例。
【扩展阅读】
2023年 ibm公司的罗伯特·登纳德发明了单晶体管的dram，极大地提高了存储密度。
2023年 英特尔公司发布了第一颗通用的cpu芯片4004，拉开了微处理器时代的序幕。
2023年 低温离子注入法问世，替代了使用近20年的高温扩散法。
2023年 等离子干法刻蚀问世，替代了传统的湿法刻蚀，从而实现了更精细的加工。
2023年 在米德和林恩·康韦(lynn conway)的推动下，用计算机辅助设计芯片开始成为主流。
2023年 ibm公司成功研制深紫外准分子激光光刻技术。
2023年 一种对紫外光高灵敏的化学放大光阻剂研制成功，大大地加速了芯片制造过程。
2023年 第一家专门做晶圆代工的企业——中国台湾积体电路制造股份***简称tsmc或台积电）成立，开创了一种新的半导体制造模式。
2023年 美国半导体行业协会制定了第一幅半导体发展路线图，7年后发布了国际半导体技术发展路线图（简称itrs）。
2023年 ibm公司和摩托罗拉公司提出用铜互连替代铝互连，大大降低了线间时延。
2023年 英特尔公司开始采用12英寸晶圆量产芯片。
2023年 浸没式193纳米光刻设备问世，使得摩尔定律继续朝着150纳米以下的节点推进。
2023年 英特尔公司发布了处理器发展的“嘀-嗒”(tick-tock)模式，分别对应于工艺升级和结构升级。这一年，苹果发布第一代iphone。
2023年 英特尔采纳胡正明教授(chenming hu)发明的finfet，帮助业界将工艺推进到22纳米以下。
2023年 随着摩尔定律放缓，“嘀-嗒”模式被改进为“工艺—结构—优化”模式，处理器的升级周期变长。
2023年 euv光刻机开始由荷兰阿斯麦尔公司（简称asml）发货。
2023年 台积电公司和三星公司用finfet工艺量产5纳米制程的晶体管。
2023年 三星公司宣布将在3纳米工艺中采用新的围栅场效晶体管（简称gaafet）替代finfet。
注：本文节选自汪波老师的《芯片简史》
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