摩尔定律的背后

这是一个人们津津乐道的历史传奇：在1965年4月19日出版的面向电子工程师的杂志《Electronics（电子学）》上，时任Fairchild半导体公司研发部主任的戈登.摩尔博士（Gordon E. Moore）（图1），用一个富于动感的标题，发表了一篇必将永为经典的文章：《给集成电路塞上更多的元件》。在这个大字标题的下面，紧接着的是一段大字印刷的预言：

“当电路所包含的元件数目上升时，单位成本就会下降，到1975年，在单块硅芯片上面会被经济学塞进去6万5千个元器件。”

在摩尔作出这个预言的1965年，只能做到在单块芯片上面集成30个晶体管，而今天呢，在一个逻辑芯片上面，可以集成好几亿个晶体管，在一个存储芯片上面，还可以集成更多的晶体管。这就是摩尔定律的效果：芯片所集成的晶体管数目与功效每18个月都要翻一番，而价格则下降。

显然摩尔本人是这个定律的最大受益者之一，因为他看准了就马上开始行动，于1968年7月与人一起创立了Intel公司，担任执行副董事长，于1975年出任董事长和CEO，1979年4月出任董事会主席和CEO，一直到1987年，才专职董事会主席，目前则为董事会名誉主席。

（图1）Gordon E. Moore

可以说，在Intel的辉煌后面，人们首先联想到的，一定就是摩尔博士。但是摩尔博士的后面呢？
还是在1965年的那篇经典文献里面，一个不为人注意的地方，配发了作者的头像，并用很小的字体对摩尔博士做了别具意味的介绍：

“Gordon E. Moore博士，一个新一代的电子工程师，接受的是物理科学的教育，而不是电子学的教育。…”

确实，摩尔博士的学历如下：于1950年在加州大学伯克利分校获得化学学士学位；于1954年在加州理工学院获得化学与物理学博士学位。

我们再看他的工作经历：1953年，他在约翰.霍普金斯大学的应用物理实验室从事物理化学方面的基础研究；1956年，加入位于加州Palo Alto的著名的肖克利（Shockley）半导体实验室，参与William Shockley领导的晶体管与集成电路的研究工作，就在这年，William Shockley作为固体物理学家，与另外两名物理学家John Bardeen和Walter Brattain一起，因为半导体物理方面的发现以及发明晶体管而分享了1956年的贝尔物理学奖。而正是后来从这个实验室走出去的年轻才俊们，赤手开创了一个崭新的，深刻影响着我们每个人的日常生活的电子与计算机时代。

（图2）从左到右分别为John Bardeen, William Shockley, Walter Brattain

作为一个技术与工艺的创新者，作为一个风云世界的芯片王国的国王，一般人确实很难会去注意到摩尔博士的光环后面，首先是个纯粹的科学家。

其实不止摩尔本人是受惠于科学的训练，连伟大的摩尔定律，尽管仍然且还将推动历史的狂潮，但它的肇始和终结，也早已经由一个天才的物理学家规划好了。

这位历史的真正先知就是极富传奇性的美国物理学家理查德.费曼（Richard Feynman）（图3）。那是在1959年12月的29日，这时他还没有开始他在加州理工学院所开的妙趣横生的物理学讲座，也没有象1965年那样忙着去领取诺贝尔物理学奖，他从自己满脑子的新奇想法里面拿出一个，作为一堂课的主题：“在针尖我们还有很大的空地”。

（图3）Richard Feynman

当时正是美国和苏联正在紧锣密鼓争夺太空的时候，费曼看在眼里，闷在心里，“其实我们人类花那么大的力气去争夺外太空，还不如多花些功夫到针尖上面，”费曼说。因为他太熟悉从宇宙到基本粒子的整个物理世界的各个数量级范围了，如果从我们人类自身尺度的1米出发，要走到外太空，需要经过几十万米的航程，也就是10的5次方的量级，可是如果我们从米出发，向微观世界挺进呢，到毫米是10的负3次方，到微米是10的负6次方，再到纳米是10的负9次方，由于纳米是分子与原子的尺度，所以我们人类的工程完全可以向下延伸9个量级啊！所以费曼说：“那个下面是一个惊人的小世界。到2000年的时候，当人们回顾现在（1959年）的时候，一定会奇怪为什么我们到1960年了，才想到要向小的方向发展。”

费曼举了一个例子来说明这个小世界有多大，“我们为什么不把整个24卷大英百科全书都抄写到一个针尖上面去呢？”，经过很简单的计算，可以知道如果真是把整个24卷大英百科全书的全部页面都印刷到针尖上面的话，那么书里面最小的一个句点，都还可以分到1000个原子的面积来表示，这已经是够宽敞的了。费曼进一步引申开来，如果我们用5乘5乘5个原子，也就是1百多个原子来表示一个bit的信息的话，再把全世界所有的书籍里面的信息都通过编码转化为以bit为单位的形式，那么我们需要多少个原子来纪录所有这些信息呢？只需要一颗200分之一英寸大小的灰尘！要知道这么大的灰尘用我们的肉眼只能勉强看见。

那么这样的信息纪录方式可能存在吗？费曼说，有，自然界就有，他举出了很多生物大分子的例子，特别是DNA分子（图4），我们人类所有的生命特征信息，不正是都纪录在那长长的DNA双螺旋链上面吗？

（图4）纪录全部生命遗传信息的DNA分子

然后费曼给我们提出了一个挑战，为什么我们不把计算机造这么小呢？于是他从物理学的角度给听众讲解了在小型化的过程中，如何解决摩擦润滑的问题，如何解决散热的问题，如何解决信息的读与写的问题，如何保证微小世界里面机器工作的稳定性问题，等等，先知费曼都已经为我们设想好了，他还设想到除了用原子造计算机，还可以造各种机器，基本的手段就是对原子的操纵，而对于物理学家费曼来说直接与原子打交道是一件多么熟悉的事情啊！

最后，费曼为了鼓励人们勇敢地走向微小世界，从而实现他所憧憬的能够把一切机器包括计算机都缩小的世界，他建立了两个奖项：第一项，给第一个能够把一页书的信息都纪录到页面的1/25,000面积上的人士奖励1000美元；第二项，给第一个能够在1/64英寸大小的空间里面造出一台能够通电转动的电动机的人士，也奖励1000美元。然后他说：“我不希望这个奖要等太长的时间才发得出去”。

果然，在先知费曼的召唤下，从60年代中期开始，一批接受过最新的半导体物理教育的年轻人，借助市场的力量，开始了以18个月为周期的，一波接一波的逐步缩小晶体管尺寸的集成电路芯片设计制造历史，这就是摩尔定律的由来，而同时在实验室里面，科学家们也开始向“小，更小”的人工制造尺度进军。一直到20世纪末，人们终于开始实现原子操纵了，不但可以直接吸取单个原子来码字，还可以组装原子机器了，而费曼设立的奖项也成了一个常年的年度奖项，每年向在原子分子设计与操纵方面作出贡献的科学工作者授奖。因为我们的半导体芯片工业界所使用的微加工技术即将抵达终点，这就需要基础科学界提供更加宽广的技术实现途径，以便延长摩尔定律的有效期，直到我们抵达费曼所预言的人造机器的量子尺度极限，那时，摩尔定律也就可以光荣地退出历史舞台了。

趁着摩尔定律仍是所有人关注的明星，让我们来看看那些遵循摩尔定律，能够不断“瘦身”的角色吧。

首先上台的当然就是晶体管了，下面的图5是制作在硅晶片上面的一个晶体管的侧视模式图与顶视模式图。任何的现代集成电路芯片，都基本上是由这种称为MOSFET的上万，几十万，乃至百万千万个晶体管组成，它的基本工作原理就是在S与D两个电极之间可以加上电压，从而产生电流，同时门极上也可以加上电压，使得这个电流受到门电压的控制。这样这个晶体管的基本工作状态就是两个：当门电压高时，电极S与D之间可以产生电流；当门电压低时，则电极S与D之间的电流被截止。

（图5）MOSFET的结构模式图

从上面的模式图可以看到，决定晶体管尺寸的，就是其中各个电极，电极之间的介质与通道的几何尺寸，因此要缩小晶体管，就是寻求能够在硅基底上面进行微加工的技术，以及随着器件尺寸的减小，必须通过线路设计来解决增加功能，减少功耗与散热的问题。

按照MOSFET的命名的意思，这种结构的晶体管使用的材料包括了金属氧化物，硅，以及金属电极，这种材料上的特点，以及器件结构上的特点，都对决定了这种形式的晶体管的尺寸下限，因此随着Intel一轮又一轮的新主频CPU问世，这种结构的尺度潜力也即将被压榨干净，因此人们开发了多种材料，以及多种结构的晶体管制造工艺，以图继续摩尔定律。

同时，除了这种传统的晶体管概念之外，科学家们还提供了更加多样的进入“针尖世界”的途径，特别是最近10多年以来，“纳米”已经进入我们的日常生活，成为流行词汇，溯其来源，就是因为这10多年来，人类在纳米尺度取得长足的进步，无论是在对于纳米世界的物理化学现象的理论理解方面，还是在纳米尺度下的实验，以及人工设计与操纵能力方面，都是硕果累累。其中陆续上台，有望延续摩尔定律的候选者，包括现在最热门的碳纳米管，纳米线和量子点。

下面的图6，就是一种已经被NEC公司应用到汽车上面作为电极的碳纳米管。所谓碳纳米管，就是以几十个碳原子为圆周的单壁或多重壁的管子，它具有非常适合制作电子器件的各种奇妙物理化学性质，非常有可能成为下一代电子器件的主要原料。

（图6）碳纳米管

下面的图7为横置于4根金电极上面的多重壁碳纳米管。

（图7）横置于4根金电极上面的多重壁碳纳米管

下面的图8为一个正常金属与超导体混合构成的器件，中间的窄桥为几百纳米宽的金线。当器件的几何尺寸达到纳米量级的时候，会产生出大量在宏观世界无法想像的现象，科学家们正在探索着如何利用这些微观世界的特异现象，来设计制造更加鬼斧神工的机器。

（图8）正常金属与超导体混合构成的器件

下面的图9为一个由纳米线，量子点，以及典型的半导体砷化镓做基底的纳米器件。所谓量子点就是人工制造的由几十几百个原子构成的小块物质，它已经完全属于量子世界的对象，能够表现出各种神奇的量子效应，有效地利用这些效应正是科学家们为未来的微观器件设计提供的崭新途径。

（图9）纳米电子器件

上面这些例子，只是对世界上成千上万的科学家们正在夜以继日琢磨着的“针尖世界”的一管之窥而已，但是已经足够让我们感到轻松，因为摩尔定律看来并不会随着摩尔博士的退休而退休，即使是传统的微加工技术，据估计也还至少有10年的生命。然后，我们又将进入分子电子学的世界，那时摩尔定律将至少持续有效30年以上，再然后呢？

别怕，因为摩尔定律的背后，并非只有摩尔一个人，而是整个科学在支撑着技术的发展，特别是象费曼那样的天才，早已经向我们保证了，即使是针尖，也是一个极其宽广的世界，即使是我们有一天走到了器件的量子极限，“我们具有作为人的幸福，就够了”，先知费曼最后这样教诲我们。

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