漲知識：你了解的摩爾定律，不是摩爾本人說的...

今年是摩爾定律誕生50周年。

現如今，摩爾定律是半導體晶片的集成密度每18個月翻倍。

但是，你知道嗎？摩爾定律的原話並非如此。

在摩爾定律誕生之前的那段歲月，世界半導體行業恰如今天網際網路行業一樣繁榮。

今天，我們試圖從摩爾定律入手，回顧那段半導體行業蓬勃發展的歲月，以及天才們給行業和這個世界帶來的變化。

半導體(semiconductor)的發現是一個多世紀以前的事情。

很多人發現，在導體（Conductor）和絕緣體（insulator）之間，還有一種材料，它們的導電特性介於兩者之間，從1833年開始發現硫化銀的電阻隨著溫度升高而降低的半導體特性開始，此後一百年的時間，人們逐漸發現了半導體的全部特性，而量子物理學在這個時候也正恰好處於結出累累碩果的全盛時期，從理論上證明了半導體。

而且既然說摩爾定律，就不得不提到：肖克利、貝爾實驗室與電晶體。

下圖是貝爾實驗室發明電晶體的三傑：巴丁、肖克利與布萊頓（從左至右）

到上世紀三四十年代，電子管的不足影響著方方面面：發熱、易碎、壽命短且很占地方。

而半導體方面的研究在當時已經很多。

誰都能看出來電晶體取代電子管這一歷史趨勢，但是受制於一個問題：當時的電晶體只能實現單向整流，但是無法放大。

二戰結束之後，肖克利從美國軍方的部門回到了貝爾實驗室，主持半導體方面的研究。

肖克利本人是科研方面的天才，如果不是官方的極力阻止，核反應堆也是他的專利，而這個專利的獲得甚至在曼哈頓工程之前。

貝爾實驗室在當時人才濟濟，電晶體是早期的碩果之一。

1947年12月15日，肖克利、布萊頓與巴丁一起見證了三極體放大的作用，1.3伏的直流電壓被放大了15倍，當時實現的材料是鍺而並非今天大規模採用的矽，幾年之後才發現矽比鍺更適合生產電晶體，矽的大範圍使用，也成為「矽谷」這個名字的由來。

而憑藉著三極體的發明，肖克利等人獲得了1956年諾貝爾物理學獎。

肖克利的厲害之處不僅僅在於研究的實驗，在發現電晶體的專利不是自己的，因為最初的電晶體和結型場效應管的專利衝突，他鑽進實驗室，寫了一本厚達558頁的書：《半導體中的電子與空穴》，這本書對於後世所有研究半導體的人來說都有著聖經般的指導意義，也證明了他才是電晶體之父。

現在的記載當中，普遍有肖克利管理能力不善的說法。

所以他不但與發明電晶體的兩位同事分道揚鑣，後來他的「肖克利實驗室」一開始匯集了大量的人才，但是最終還是導致了「八叛逆」事件，集體接受了東海岸仙童攝影器材的資助，成立了飛兆半導體公司（FairchildSemiconductor，中國大陸官方譯名）。

這八個人當中，就有戈登·摩爾（GordonMoore）。

下圖中，從肖克利實驗室出走的「八叛逆」，有人稱他們為「矽谷教父」，左一為年輕的摩爾。

摩爾出生在加州，他的高中是公立的紅杉高中（SequoiaHighSchool），這個高中曾經是斯坦福的預備學校。

不過摩爾的大學卻沒在斯坦福，他一開始去的聖何塞州立大學，兩年後轉學去了加州大學伯克利分校，並獲得化學學士學位。

隨後摩爾在加州理工大學獲得了化學博士學位，輔修物理。

他的博士後則是在約翰·霍普金斯大學的應用物理實驗室完成。

縱觀他的學業，可以說如果不是去搞半導體，摩爾也完全可以在大學裡面擔任教職直到退休。

博士後畢業之後，摩爾得到的是加州理工校友肖克利的感召，去了肖克利半導體實驗室。

肖克利實驗室當時並不是個獨立機構，是另外一個加州理工校友ArnoldBeckman成立的BeckmanCoulter（中文名字叫貝克曼庫爾特，依舊健在）公司的一個部門，這個公司發明了酸鹼性pH值的測量設備。

公司的位於山景城，今天人們聽說山景城，更多的是因為這裡是谷歌的總部所在地。

八叛逆事件之後，摩爾等人接受了東海岸ShermanFairchild130萬美元的投資成立了飛兆半導體。

接受Fairchild的投資還有一層意義是當時八叛逆認為可以得到來自美國軍方的合同，而Fairchild本人是極為成功的企業家，不僅僅是半導體，影像與航空工業都有他不可磨滅的貢獻。

1957年，飛兆半導體率先開始使用矽來生產電晶體，而同行們還在使用鍺。

下圖是飛兆半導體成立初期，左起：諾伊斯、摩爾與費爾柴爾德（Fairchild）

1954年，德州儀器率先製造出生長結電晶體。

當時的半導體行業的競爭還是很激烈的。

1959年，八叛逆之一的讓赫米（JeanHoerni）提出了革命性的平面電晶體技術，顛覆世界的變革序幕由此拉開：平面電晶體為規模化集成電路（intergratedcircuits，IC）提供了可能。

下圖是第一個平面電晶體：2N1613，圖片中的為飛兆早期產品，生產於1962年第31周。

平面電晶體使用二氧化矽作為鈍化層來保護電晶體的接觸點邊緣不受污染，並且使用不貴的塑料進行封裝。

要知道塑料不易降解，這種封裝極大的降低了長時間使用後電晶體降解的可能。

平面電晶體同時具有三大優勢：製造更容易、成本更低且性能更高。

飛兆半導體使用平面電晶體技術第一個商品化的產品是2N697，他們接到的第一筆訂單來自IBM，以每個150美元的價格銷售給IBM100個電晶體。

摩爾在當時是飛兆半導體的研發主管。

在他的領導下，飛兆半導體給整個產業帶來了兩塊變革：MOS與μA741。

MOS也叫做金屬氧化物半導體。

最早開發這一技術的是RCA以及貝爾實驗室。

飛兆也看到了這一技術的前景，但是初期問題在於良品率太低無法進行商品化生產。

後來找到的辦法在今天也用：超凈車間與光刻技術，並將其平面化，這樣就能生產MOS的集成電路。

1963年飛兆僱傭了羅伯特懷德拉爾，此人開創性的設計了運算放大器μA702以及μA709，而在1968年，飛兆推出了大衛弗拉加設計的μA741運算放大器，這一產品直到今天依舊在大量的生產，成為半導體工業領域極為罕見的長壽產品，並且設計原理今天依舊是所有高校教材裡面必須講到的內容。

隨著741的上市，飛兆也迅速的成為僅次於德州儀器的半導體行業的第二名，當時第三名是摩托羅拉。

值得一提的是，在太平洋西側的亞洲，東京通信株式會社看到了電晶體替代電子管生產收音機的潛力，很快的把這一產品賣到了全世界，並使用了新商標SONY。

產品的電晶體授權來自貝爾。

1965年，恰逢《電子（Electrics，已經於1988年停刊）》雜誌創刊35周年，時任飛兆半導體研發總監的摩爾受邀展望一下未來十年產業的發展趨勢。

於是摩爾寫了一篇名為《給集成電路填充更多元件》（Crammingmorecomponentsontointegratedcircuits）的小文章，在文章當中，他認為就他的觀察，到1975年，集成電路上的元器件將達到65000個。

正是這篇短文，摩爾提出，「集成電路上的小單元數量，大約每年都會提升一倍。

對於長遠的時間段來看具有一些不確定性，但是這個規律持續十年是沒有任何疑問的。

」摩爾第一次總結出來集成電路複雜性與時間的線性關係。

十年之後，IEEE，也就是國際電子電器工程師協會的會議上，摩爾修改了增長的速率：到1980年，大概每兩年集成度會增加一倍。

並進一步總結出三條規律：

晶片的面積會增加且缺陷部分密度下降，所以對於生產商來說，產能不會降低；

整個行業會同步演進到最小的單個電晶體尺寸；

並且電路的計算能力會同步的提升。

很快的在同一年，加州理工的教授CavernsMead正式的將摩爾總結出來的半導體行業的規律稱之為「摩爾定律」並廣為人知。

到這裡，很多人會產生一個疑問：廣為人知的摩爾定律不是每18個月集成密度翻倍嗎？

事實上，摩爾本人從未說過18個月翻倍這件事，並且他一直堅持他在電子雜誌上的說法。

今年初，《福布斯》雜誌專程採訪了在夏威夷安度晚年的摩爾本人，他再次重申，在當時，他發現集成電路從1959年最開始的只有幾個電晶體、電阻發展到了集成16個。

摩爾在這段時間發現，如果把時間和電晶體數量翻倍的冪指數分別作一個坐標軸，兩者的關係恰恰是一個接近線性的關係，即每年集成的密度提高一倍。

那18個月的說法是哪兒來的呢？

總結這一規律的人叫做大衛·豪斯，在1974到1996年這段時間裡在英特爾工作，18個月的說法是他總結出來的。

在1978年，他就成為英特爾電腦零部件部門的總經理，今天廣為人知的「IntelInside」以及「Pentium奔騰」這個處理器的名字，都有他的功勞。

2008年，IEEE授予摩爾榮譽勳章，以表彰他在MOS、微處理器以及整個半導體領域的貢獻。

有趣的是，2005年，在摩爾定律40周年的時候，英特爾曾經懸賞一萬美元尋求一本當年刊載摩爾定律最初文章的Electronic雜誌原本，一個英國工程師成為最快提供雜誌原本的人，領取了英特爾的賞金。

摩爾定律的偉大、對半導體領域的影響乃至進一步，半導體對整個世界的影響到底有多大？僅僅是電晶體，有人就認為是20世紀最偉大的發明，並且與印刷術等偉大發明對人類同等重要。

今天的我們已經無法想像如果一瞬間我們沒有了所有的集成電路與電晶體，文明將退步到什麼程度。