1.3 摩尔定律

1965年，戈登·摩尔（后来英特尔的联合创始人和很长一段时间的CEO）发表了一篇名为《把更多组件塞到集成电路中》的短文章。利用很少的数据点进行推算，摩尔发现随着科技进步，特定大小的集成电路内可以制造并安装的晶体管每年都翻一倍，这个频率他后来修改为每两年，也有人设为18个月。由于晶体管的数量是对计算能力的粗略估算，这意味着计算能力每两年翻一番——如果不是更快的话。在20年里，将会有10倍的增长，设备的数量将会增加210倍，也就是说，大约1000个。在40年里，这个倍数是100万或更多。

这种指数增长，即现在所说的摩尔定律，已经持续了近60年，所以集成电路现在拥有的晶体管数量是1965年的100多万倍。摩尔定律的实际应用曲线图，特别是处理器芯片方面的，显示出晶体管的数量从20世纪70年代初英特尔8008处理器的数千个，增加到了今天普通笔记本电脑处理器的数十亿个。

最能反映电路规模的单个数字是集成电路中单个特征的大小，例如，导线或晶体管有源部分的宽度。这个数字多年来一直在稳步下降。我在1980年设计的第一款（也是唯一的）集成电路使用了3.5微米的元件。对于2021年的许多集成电路来说，最小特征尺寸是7纳米，即70亿分之一米，下一步将是5纳米。“毫”（milli）是一千分之一或者10-3，“微”（micro）是一百万分之一或者10-6，“纳”（nano）是十亿分之一或者10-9。相比之下，一张纸的厚度或一根人的头发的直径大约有100微米或1/10毫米。

如果集成电路的元件宽度缩小为原来的1/1000，那么在给定区域内的元件数量就会以平方增加，也就是增加为原来的100万倍。这一因素使得旧技术中的1000个晶体管变成了新技术中的10亿个晶体管。

集成电路的设计和制造非常复杂，而且竞争激烈。生产操作（生产线）也很昂贵，一家新工厂的成本可能达到数十亿美元。一家公司如果在技术和资金上落后，就会处于竞争劣势；一个国家如果没有这种资源，就必须依靠其他国家的技术，这将成为严峻的战略问题。

摩尔定律不是自然法则，而是半导体业界用来设定目标的指南。从某种意义上来说这个定律会有失效的一天。在过去就有人不断预测它的局限性，尽管迄今为止人们已经找到了绕过这些局限性的方法。然而，我们已经到了这样的地步，即在某些电路中只有少数几个单独的原子，这太小了，以至于无法控制。

处理器速度的增长正在变缓，当然不再每两年翻一番，部分原因是更快的芯片会产生太多的热量，但内存容量仍在增加。同时，处理器可以通过在一个芯片上放置多个处理器内核来使用更多的晶体管，系统通常有多个处理器芯片；增长的是内核的数量，而不是单个内核运行的速度。

将如今的一台个人计算机和1981年最早出现的IBM的PC进行对比，其结果是惊人的。早先那台计算机有着4.77MHz的处理器，而现在2.2GHz处理器内核的时钟速度比它快了将近500倍，并且通常有2个或者4个内核。早先那台IBM计算机有着64KB的RAM，现在的8GB计算机是它的125000倍。早先那台计算机有最多750KB的软盘存储，没有硬盘，今天的笔记本电脑的二级存储容量正从之前存储的100万倍继续攀升。早先那台计算机有着11英寸的屏幕，只能在黑底色上显示24行、每行80个的绿色字符，而我在24英寸、1600万色的屏幕上写了这本书的大部分内容。一台具有64KB内存和一个160KB软盘的PC在1981年的价格为3000美元，现在可能相当于10000美元，而如今，一台配备2GHz处理器、8GB RAM和256GB固态驱动器的笔记本电脑售价约数百美元。