摩尔定律，一个依赖天才的预言

赵淑荷

半个多世纪以前，当晶体管诞生在美国最大的实验室，它的制造者或许料到了这个小小的器件注定前途无量，却不能预测此后芯片的发展会经历怎样曲折而惊险的旅程。

印度有一个传说，有关指数级增长是如何把一个不起眼的起点导向庞大而不可测的结果。向国王领赏的数学家要求在棋盘的格子里每次多放一倍数量的大米，从1粒米开始，最终所需大米的数量穷尽国王的想象也不能满足。

这几乎是芯片发展的模型。

快速增长的代价是，芯片技术对迭代的要求也给自身设下藩篱，就像一种自我诅咒，让它不断面临着想象力的局限、物理学的边界、难度与速度之间的悖论。

芯片的竞争，本质上是经济与科技实力的较量。在发展半导体产业的历程中，确有举国之力倾注其中的例子。但在某些特定时刻，技术飞跃又依靠一个个天才的构思。

为了推倒芯片发展征途上的各种路障，一个个破局者出现，在他们的故事中，芯片的历史，由纯粹而热血的智识挑战构成。走过历史的困境，我们才能知道，如何解绑我们对芯片未来的想象。

硅谷前史：冷战与嬉皮士

1947年，沃尔特·布拉顿和约翰·巴丁在大名鼎鼎的贝尔实验室里制造出世界上第一个点接触型晶体管。在此基础上，1951年，威廉·肖克利发明了结型晶体管。三位科学家因此共享了1956年的诺贝尔物理学奖—彼时人们尚未充分意识到，一个小小的元件将会成为电子信息时代的先声。

这不是一个偶然的结果。

1925年，美国电话电报公司（AT&T）将西方电气公司工程部与AT&T研发部合并为一个独立的科研中心，以电话发明人贝尔的名字命名。对当时很多科学家来说，这是一片圣地，他们可以在里面做任何异想天开的研究。

没有任何一种自由是无根的。贝尔实验室背靠的AT&T当时在美国市场上具有垄断地位，高昂的利润让他们能够为贝尔实验室提供每年至少10%的基础研究经费。另一方面，美国政府为贝尔实验室提供大量资助，军事部门成为贝尔实验室的最大客户。最开始出现晶体管的发明需求，是因为二战时期基于真空管的设备和军舰有一半以上在操作当中存在问题。1947年之后的5年内，全美总共生产了9万个半导体晶体管，几乎全部被美国军方收购。

来自企业和军方的资金支持，保证了实验室的科研人员能够心无旁骛地把自己的设想推向一个又一个高峰。

有趣的是，这部最开始由战争史支撑起来的科技史，正在朝向叛逆史转变。如果说贝尔实验室最早培育了一批不用操心钱的科学家，那么接下来，自主创业的风潮很快会将“财富”二字带到这些科学家面前。

1955年，不满足于自己的名字只能与基础研究挂钩，他还希望自己作为富豪出现在《华尔街日报》上，肖克利离开了贝尔实验室，在旧金山郊区以自己的名字成立了一家半导体公司。

据说肖克利在报纸上用代码的形式刊登招聘广告，为自己招到了当时业务水平最顶尖的工程师。强强联手的局面本应很快能为肖克利带来他想要的名利，但是他为人刚愎自用，有做基础研究的头脑，却没有管理企业的才干。因为公司管理涣散，业务下降，1957年，肖克利手下8名工程师因无法忍受他的控制，离开公司自立门户，创办了一家名为“仙童”的半导体公司，这家公司被认为是硅谷（Silicon Valley）的雏形。“硅谷”正是因作为半导体原料的高纯度硅而得名。

IBM的工业设计顾问向库布里克提议：你电影里的计算机太小了，这不符合常理。库布里克说，不，越来越小是计算设备未来发展的真正趋势。

仙童创立之前，半导体电路中的各个元器件彼此独立，单个晶体管、电容和电阻插在电路板上，还需要另外的线路连接。在技术爆发时期，半导体电路上的晶体管数量迅猛增加，再对单个晶体管进行手工连线几乎是不可能的任务。于是仙童开始致力于集成电路的研发，他们设想能够直接在一整个硅晶表面同时做出晶体管和它们之间的导线，从而实现大规模生产—芯片，就是这样一块含有集成电路的硅片。

1957年10月4日，苏联的斯普特尼克1号卫星升入太空，为美国带来了巨大的军工和科技压力，就在这时，仙童收到了第一笔大订单，来自美国国家航空航天局（NASA）。1962年，仙童的芯片被用于阿波罗计划。

然而，硅谷的工程师们隐隐感觉到，芯片的未来不止在火箭上。

1963年，有史以来最著名的科幻电影《2001太空漫游》面世，IBM（国际商业机器公司）的工业设计顧问向库布里克提议：你电影里的计算机太小了，这不符合常理，“发现号”飞船的计算机至少应该有一个房间那么大。库布里克说，不，越来越小是计算设备未来发展的真正趋势。

诞生之初有5层楼高的超级计算机，正在一代一代地接近库布里克的设想。

自肖克利之后，从原东家出走自主创业几乎成了硅谷的一种传统。由于与投资方之间矛盾不断，仙童公司出现离职潮，开始向整个硅谷开枝散叶。

制作出第一块硅基芯片的罗伯特·诺伊斯与戈登·摩尔于1968年合作创办了英特尔（Intel）公司。被仙童解雇的杰里·桑德斯于次年成立了美国超威半导体公司（AMD）。这两家公司打响了一场旷日持久的战争，在芯片领域成了“死对头”。

乔布斯说，那时候的仙童就像一支成熟的蒲公英，硅谷到处都是“小仙童”们新开的创业公司。

与硅谷一同蓬勃起来的，还有嬉皮士、摇滚乐、摩托车。充满叛逆精神的60年代，工程师们比他们任何一代前辈都更重视个人价值的实现与私人财产的获得，一位员工在仙童的离职调查表里写下：“我……要……发……财……”

在此后的几十年里，硅谷不仅是新科技的摇篮，也成为了工程师们追寻财富的应许之地，肖克利没能达成的愿望，将被后来的硅谷人实现。

未来，人们希望拥有更轻便的收音机，希望在自己的卧室里放一台电脑，希望在尽可能便携的设备上完成尽可能多的任务—时代精神的转向为电子产业创造了前景，反过来，电子产业的发展也即将推动社会关系的变革，越来越小的器件给每个人带来前所未有的私人空间，一代人的精神世界会被电子产业重新塑造。

1965年，戈登·摩尔为《电子学》杂志写了一篇文章，在《将更多的元件放进集成电路》里面，他对芯片产业做出大胆预测：在未来十年内，芯片里的晶体管数量将会每两年翻一番，同时价格下降一半。后来这个周期被修正为“18个月”，这就是大名鼎鼎的摩尔定律。

芯片越来越小，它的潜能却越来越惊人。这个指数级规律的背后，是那一代科学家对电子信息社会指数级膨胀的野望。

低端与顶尖的辩证法：日本和中国台湾

任何一样技术，走出实验室的过程，都不比它诞生的过程更容易。

20世纪60年代，芯片制造还是一种劳动密集型产业。完成生产的最后环节，是用显微镜将芯片定位，把硅芯片贴在基片上，再手动缝合金线，最后插入仪表进行测试。为了真正实现芯片的大规模生产，就得先找到大量能胜任此工作的工人。

英特尔的老板诺伊斯找到了中国香港，这里的人力成本约为每小时25美分，是美国国内水平的十分之一。1963年，仙童半导体公司将晶圆的测试封装工作外包到香港，成为第一家在亚洲进行海外组装的半导体公司。

紧接着，美国人很快发现，还有比香港更便宜的地方：中国台湾的人力成本是每小时19美分，马来西亚15美分，新加坡只要11美分。

这次产业转移给芯片终端技术的积累带去了机会。这一时期，日本国内正在如火如荼地发展本土半导体产业。尽管在技术上，日本远远落后于美国，但日本有一个聪明的做法，提前抢占尚未引起美国足够重视的民用半导体市场。

德州仪器发明了世界上第一台晶体管收音机，可惜的是，由于美国人的使用习惯以家庭为单位，他们认为在一个家庭有一台大收音机的情况下，袖珍收音机不会有市场。反而是人稠地密的日本敏锐地意识到，“一人一台”才是收音机的未来。

索尼的前身东京通信工业株式会社于1955年研发了第一台量产晶体管收音机，并且把它卖到了全世界。他们不仅获得了巨大的收益，还培养了青少年的个人收听习惯，为后来的随身听（walkman）文化、耳机文化打下了基础。

在晶体管产业转向芯片产业的过程中，仙童和德州仪器把平面工艺专利和基尔比专利牢牢把握在自己手里，其他人想要进芯片产业分一杯羹，必须要先取得这两项专利。

尽管在基础逻辑芯片的设计上，日本相比美国没有优势，但是由于政府的支持，严格的企业管理，以及对芯片质量的严苛控制，日产芯片的良品率大大超过美国。

日本电气NEC顺利从仙童公司引进了集成电路平面制造工艺，德州仪器却在1964年向日本提出在日设立子公司的要求，以此作为分享基尔比专利的条件。

答应这个条件，日本本土的半导体市场将会受到巨大冲击，于是他们想出了一个斡旋的办法。

1968年，索尼与德州仪器成立合资公司，各持一半股份，并约定到一定期限索尼会将股份出售给德州仪器。到德州仪器终于在日本拥有第一家全资子公司的时候，日本已经通过各种办法为本国半导体行业争取了长达8年的窗口时间。

尽管在基础逻辑芯片的设计上，日本相比美国没有优势，但是由于政府的支持，严格的企业管理，以及对芯片质量的严苛控制，日产芯片的良品率大大超过美国。

80年代，冷战局势缓和之后，当美国芯片公司把注意力从军用需求转向民用市场的时候，他们发现，自己完全竞争不过已经把收音机、计算器这样的民用电子产品做到极致的日系企业。此时存储芯片的市场几乎已经是日本的天下，以至于英特尔退出了这项业务，转而专心研究微处理器。

然而，日本这条起于模仿、专于制造的半导体发展之路，机遇与忧患并存。

由于日本芯片产业所依赖的核心技术与知识产权基本来自美国的扶持和默许，等到美国想要从日本企业手里夺回芯片市场的时候，一场不可避免的专利大战就开始了。

在英特尔眼里，微处理器有玫瑰色的未来，但是我们还需要知道，进入超大规模集成电路（VLSI）阶段意味着一块芯片上集成的元件数超过10万个。

还记得英特尔的创始人戈登·摩尔的那条定律吗？这条规律遭遇了自己埋下的悖论。摩尔定律表示，芯片上的元件数量在一定周期内呈指数级增长，然而与此同时，芯片的制造时长则会因为元件数量规模的扩大而成倍延长，这又会拖慢芯片的迭代速度。

這样一来，芯片就被自己锁死了。

解决这个问题的，是一个从玩具积木里得到的天才灵感。参与解决VLSI设计问题的美国施乐公司派出林恩·康维，这位科学家提出用计算机辅助芯片设计的同时，从乐高的规格当中得到启发，把芯片设计与制造环节的分离往前推动了一步。

当时，每隔两年迭代一次的芯片设计总是要推翻上一代的基础重来，康维提出，如果把晶体管栅长的一半确定为芯片设计版图的最小尺寸单位，记作希腊字母λ，这样一来，无论演进到多少代，这个基本数值乘以某个系数之后可以直接使用。

在λ法则的帮助下，专门提供芯片加工的代工厂与芯片设计公司可以分开运作。芯片生产的三大环节，设计、制造、封测，能够在全球化背景下彼此独立相互配合，生产效率大大提高。

康维与自己的导师卡弗·米德合著，把这个法则写进了《超大规模集成电路系统导论》，但当时人微言轻的康维，由于变性人身份备受歧视，只能作为这本书的第二作者。

几年之后，这本书的意义却在中国台湾的半导体产业初创与发展中显现出来。

1985年，华裔企业家张忠谋接任中国台湾工业技术研究院院长，他与“中国台湾科技教父”李国鼎会见，商讨台湾地区工业与经济发展，摆在眼前的问题是，当时台湾除了低端制造业，根本没有能拿得出手的产业。

张忠谋想起了他在美国读书的时候看过的一本书—正是康维与米德合著的《超大规模集成电路系统导论》，这本书最重要的结论就是，芯片设计应该与制造分离。两个天才的头脑隔着时空碰撞在一起—制造业有没有可能是半导体行业的未来呢？

张忠谋决定在台湾地区创办一家纯代工的晶圆厂，只提供制造服务，台湾积体电路制造股份有限公司（简称“台积电”）就此诞生。张忠谋把目光对准了无厂设计公司，你设计，我来加工，保质保量。

1988年，台积电拿到英特尔的订单，打开了知名度。再过4年，日渐稳定的盈利支持了台积电在芯片制造工艺上的研发与创新，技术与世界水平的差距缩小到一代。又过了10年，台积电超过了除英特尔之外的其他所有晶圆厂。

当芯片上的元件数量越来越多，密度越来越高，设计越来越精细的时候，制造芯片就是整个产业链条里最艰难的一环。起于劳动密集型的台积电，日后将会在这个逐渐转向技术密集型的环节上大放异彩。

芯片的未来：拯救摩尔定律

摩尔定律，这个说法常常会给人一种误解，以为芯片行业的发展“本该如此”。但是实际上，摩尔定律是戈登·摩尔在总结市场规律之后做出的预测，并不是一条物理定律。

霍金说，摩尔定律的极限是光速和量子隧穿效应。

1965年这条规律提出之后，芯片产业一直在其指导下快速稳步发展，不断进行着精细化的自我革命。到80年代，摩尔定律却险些遭遇失效的危机，因为芯片的精细化不是无限的，技术会不断“撞墙”。

形容词只是一个抽象的表达，我们需要更具象地说明芯片的“精细”是一件多么困难的事：搭载于苹果手机iPhone 12的A14芯片，仅有指甲盖大小，采用台积电5nm工艺，上面集合了118亿个晶体管。

我们是怎么越过重重技术高墙走到这一步的呢？上世纪80年代，科学家和工程师们发现，当芯片制程到达35nm，芯片就不能再变小了。这时候的摩尔 已经做了多年技术专家和企业家，基础研究被他搁置很久，无力解答重重困局的他只能去请教霍金：摩尔定律的未来在哪里？

霍金说，摩尔定律的极限是光速和量子隧穿效应。

我们都知道，晶体管的工作有两个状态，0和1，实现这个“开关”功能的，是晶体管的栅极。栅极接收输入信号之后，分别接通晶体管的源极和漏极，完成两个状态的切换。源极和漏极之间是一条导电沟道，在晶体管不断变薄的过程中，导电沟道会不断变窄，到一定程度就会遭遇霍金所说的“隧穿效应”：源极和漏极之间由于距离过短而出现电子干扰，提前接通电路，导致漏电。

“开关”失效，晶体管的工作也就乱了套。为此，我们不得不把绝缘体的厚度尽可能打薄，让栅极距离导电沟道更近，越过漏极对导电沟道的影响。当导电沟道接近35nm的时候，芯片绝缘体仅能有一层原子的厚度，我们再也找不到任何切割材料来把它做得更薄—35nm晶体管就成了极限。

芯片的发展，似乎已经触碰到了天花板。

或许此时正在搭载着5nm制程芯片的手机上阅读这篇文章的你，一定已经意识到，在现实世界里，这个危机并没有发生。华裔科学家胡正明，于1999年找到了解决芯片漏电的办法。他发明了一种鳍式场效应晶体管（FinFET），半个世纪以来的模式思维被打破了：如果绝缘体不能变薄，不如让源极和漏极像鱼鳍一样呈纵向升高，在绝缘体上面立起来，从而增加与栅极的接触面积，来防止电子“逃跑”。

这个办法不仅可行，而且比削薄晶体管更便宜。就是这样一个看似天真的简单设想，扭转了晶体管穷途末路的命运，开创了3D晶体管的崭新时代。

然而摩尔定律就像一個百病缠身的老人，一波未平一波又起，2002年，摩尔定律再次遭遇危机。

正如前文所述，芯片生产发展到本世纪初，基本已经形成了设计、制造、封测三大环节分立的产业链条，首先进行芯片的基础逻辑设计，随后将芯片图纸制作成掩膜，再使用光刻、刻蚀等步骤，将芯片电路图从掩膜版转移到硅片上，最后对芯片进行封装和性能测试。

电路图从掩膜版到硅片上转移的过程，是芯片生产中的惊险一跃。科学家对芯片的想象能不能从大脑中解放出来，落在一个真正能投入使用的硅片上，主要依赖光刻技术。其原理是在晶圆上涂上光刻胶，光透射之后经过掩膜版令光刻胶发生性质变化，就能把成比例缩小后的芯片线路图投到硅片上。

光刻机能实现的分辨率越小，它在单位面积硅片上制造的晶体管就越多，芯片的制程水平和性能就越好。

根据摩尔定律，2002年的芯片工艺制程应该在157nm光刻技术的支持下迭代到45nm，然而实验发现，157nm的紫外光在空气中会被氧分子吸收，照射到晶圆上的效率不能保证，因此157nm光刻技术迟迟无法进行商业化落地。

芯片设计工程师的想法虽然没有极限，本应把头脑中的辉煌图纸“画”在硅片上的“手”却被掣住了。

这个时候，摩尔定律再次被一位华裔科学家续命。当时，世界上做光刻技术最好的企业是荷兰的阿斯麦，以及日本的佳能和尼康。面临157nm光刻技术瓶颈，尼康和佳能选择的研发方向是降低曝光波长，开发波长更短的深紫外光刻机。但是来自台积电的工程师林本坚有一个不同寻常的想法。我们小时候都曾有过把筷子插进水里，看到筷子好似折断变短的经验，林本坚提出的就是这样一个简单得近似玩笑的办法：在镜头和晶圆片之间敷上一层薄薄的超纯水。水对上一代193 nm紫外光的折射率为1.44，计算后水中等效波长是134 nm，就能成功打破157 nm光刻的发展壁垒。

其实早在上世纪80年代，林本坚就已经想到了用水代替空气作为镜头与晶圆之间的介质，但是当时的芯片制程还没有降到纳米级别，对光刻技术的精度无需这么高。过了15年，林本坚的想法等到了一个“怀才可遇”的时代。

林本堅在国际会议上向同行们展示浸没式光刻技术的可行性时，刚刚解决了晶体管危机的胡正明就在台下。胡正明看到台上的工程师手里拿着一幅图，上面画着一堵阻挡半导体发展的红墙，正在跨过这堵墙的一匹马，上面标注着“浸没”。

芯片设计工程师的想法虽然没有极限，本应把头脑中的辉煌图纸“画”在硅片上的“手”却被掣住了。这个时候，摩尔定律再次被一位华裔科学家续命。

阿斯麦最先响应了林本坚的设计，与佳能和尼康分道扬镳，转向浸没式光刻机研发。

3年后，在阿斯麦与台积电的共同研发下，浸没式光刻机投入生产，将芯片制程降低到45nm以下。

阿斯麦赌赢了，它远远甩开了佳能和尼康，市场占有率从原来的三分天下跃升至80%，成为光刻领域的龙头。

2012年，英特尔发布了基于22nm工艺的商业化FinFET，胡正明十年前为解除芯片发展危机提出的办法被证明实际有效，芯片制造进入了20nm量级。如今，三星和台积电等半导体代工企业能够继续生产20nm以下的晶体管，依然得益于胡正明的发明。

胡正明曾多次公开表示他对芯片发展的信心：“芯片功耗还可以提高1000倍，集成电路产业还能成长100年。”

会是这样吗？

让我们把时间的指针尽可能地往前拨。我们会越过肖克利，来到1926年，波兰裔物理学家利林费尔德发现了晶体管的操作原理：在半导体表面添加一个电场来控制源极与漏极之间的导电沟道。1934年，德国发明家奥斯卡·海尔也发现，能够用电极上的电容耦合控制半导体中的电流。他们都为自己申请了专利，但遗憾的是，由于当时晶体方面物理知识的缺乏，原材料达不到足够的纯度，能够达成场效应的元件无法实际制成。

当肖克利在贝尔实验室里第一次为场效应晶体管申请专利的时候，曾因费尔德的早期专利而遭到驳回。理论向技术转换时未完成的这一跳，让我们与半导体相遇的时间晚了近20年。如今我们知道，对芯片来说，这是一个太长的尺度。

抛开军事、政治、市场争夺等等因素，再次回顾芯片发展历程，我们会发现它从根本上来说是一部基础研究与工业技术相互推动的历史，“手”与“脑”相辅相成。

从芯片诞生之初就捆绑着我们的摩尔定律，是一个自我达成的预言，我们终究发现，这条规律的魅力在于，推动人类社会进步的根源动力永远来自我们自己。

我们不知道芯片的最终极限在哪里，但这段历史已经证明，那至少不是人类的极限。