摩尔定律由英特尔联合创办人兼执行长高登. 摩尔（Gordon Moore）于1970年首次提出，称随着新制程密度不断提高，芯片的晶体管数量将每两年翻一倍，但由于半导体产业的发展速度在一定程度上落后摩尔定律趋势，因此包括英伟达执行长黄仁勋在内的许多人都说摩尔定律已死。

Pat Gelsinger自从 2021 年接任英特尔执行长后，一直强调摩尔定律仍然有效，甚至认为英特尔至少在 2031 年前都可超越摩尔定律速度，并推广「超级摩尔定律」（Super Moore's Law），即利用 2.5D 和 3D 芯片封装技术（如Foveros）提高晶体管数量的策略，英特尔常称此为摩尔定律2.0。

Gelsinger 近日在麻省理工学院（MIT）演讲中，被问及摩尔定律的潜在终结，他表示：“我们已经宣布摩尔定律死亡已经约 30、40 年。我们不再处于摩尔定律的黄金时代，现在要难得多，所以可能更接近每三年翻一倍，也看到速度放缓。”

Gelsinger表示，尽管摩尔定律明显放缓，但英特尔到2030年仍能制造出1万亿个晶体管的芯片，而目前单个封装上最大的芯片约有1,000亿个晶体管。也因此，新型RibbonFET晶体管、PowerVIA电源传输、下一代工艺和3D芯片堆栈，将使这四件事成为可能。

不过Gelsinger也承认，摩尔定律面临经济性挑战，7、8年前，一座现代化的晶圆厂约需要100亿美元，现在成本成长至200亿美元，经济方面已经出现不同变化。


摩尔定律激发芯片的不断进化？

1975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。

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1997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，2003年晶体管到达90纳米节点时，193纳米的DUV及时出手了。

到了2009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，2018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。

2011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。

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。

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1968年之前的有10——500个元件的中规模集成电路（简称MSI），再从1971年之前的有500——20000个元件的大规模集成电路到1980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。1997年日立公司(Hitachi Limited)的“SH-4”芯片有超过1000万个晶体管，2006年英特尔的“安腾2”处理器有17.2亿个晶体管，2017年高通公司的“Centriq 2400”芯片有180亿个晶体管，2022年苹果发布的“M1 Ultra”芯片晶体管数量更是达到了1140亿个。

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。


超越摩尔定律

如今，面临摩尔定律的限制，我们将如何看待芯片技术的未来发展呢？

首先，处理器核心的数量正在增加。随着单核处理器性能提升的速度放缓，芯片设计者开始增加更多的处理器核心到单个芯片中。这种多核处理器可以并行处理任务，提高整体性能。AMD的Ryzen系列和英特尔的i9系列处理器就是多核处理器的典型代表。然而，虽然硬件性能得到提升，这种并行计算的架构也带来了新的挑战，即如何有效地编写软件以利用这些并行的硬件资源。在这个领域，我们已经看到了一些重要的发展，比如CUDA和OpenMP等并行计算的编程模型和工具，它们为程序员提供了有效利用多核处理器的方式。

其次，3D集成电路的技术正在崭露头角。传统的芯片设计是平面的，但现在的技术越来越能够支持垂直堆叠电路，形成3D集成电路。比如，台积电和三星已经商用了堆叠的3D NAND闪存技术。通过在垂直方向上堆叠电路，可以显著提高芯片的密度和性能，同时减少能耗。然而，3D集成电路的生产过程复杂，需要解决散热问题，以及通过电路层间连接（通孔）的设计和制造问题。这些挑战需要我们在材料科学、热力学和电气工程等多个领域进行突破。

再者，新材料和制程技术的研发也在全力进行中。例如，硅已经逐渐接近其物理极限，研究者正在寻找新的半导体材料（如碳纳米管和石墨烯）以替代或补充硅。在这方面，IBM的研究团队在2014年就已经展示了一款基于碳纳米管的计算机芯片原型。而新的制程技术，如极紫外（EUV）光刻也正在被用于制造更小尺寸的晶体管。荷兰的ASML公司在这一领域是领军者，其EUV光刻机已被全球许多领先的半导体制造商所采用。

此外，量子计算和神经形态计算也是未来计算技术的重要方向。量子计算利用量子力学的特性（如叠加和纠缠）来进行信息处理，它有潜力在某些问题上超越传统计算机的性能。谷歌、IBM和微软等科技巨头都在量子计算领域投入了大量的研发资源，短期内可能不会商用，但其在未来可能带来的颠覆性变革已经引起了全世界的关注。而神经形态计算则试图模仿人脑的工作机制，其设计更加类似于大脑的神经网络结构，这使得它们在处理模式识别和学习任务时能更有效地使用能源。IBM的TrueNorth芯片和Intel的Loihi芯片都是神经形态芯片的代表。

然而，所有这些新技术的发展都面临着各种挑战。新的计算模型需要新的编程语言和工具，新的材料和制程技术需要解决可靠性和制造问题，新的芯片架构需要解决热管理和电源管理问题，新的系统设计需要解决兼容性和集成性问题。这些挑战需要我们在多个领域进行突破，包括计算机科学、电气工程、物理、材料科学、生物学等。