1960年，在賓夕法尼亞大學(xué)舉辦的國際固態(tài)電路會議上，名為道格拉斯·恩格爾巴特(Douglas Engelbart)的年青計算機工程師介紹了簡單但具有開創(chuàng)性意義的概念：縮小(scaling)。
恩格爾巴特從理論上闡明，隨著電路尺寸越來越小，元器件速度將越來越快，能耗、制造成本會越來越低，這一切都呈加速發(fā)展態(tài)勢。恩格爾巴特后來發(fā)明了計算機鼠標(biāo)和其他個人計算技術(shù)。
當(dāng)天坐在臺下聽恩格爾巴特演講的聽眾中就有后來與其他人聯(lián)合創(chuàng)建了英特爾的戈登·摩爾(Gordon Moore)。1965年，摩爾量化了縮小原理，提出對計算機時代產(chǎn)生了深遠影響的摩爾定律。他預(yù)測，在至少10年內(nèi)，芯片集成的晶體管數(shù)量將每年翻一番，從而導(dǎo)致計算機處理能力大幅度提高。
他的預(yù)測發(fā)表在1965年4月份的《電子學(xué)》雜志上，后來被稱作摩爾定律。這不是一條物理學(xué)定律，而是對一個新興產(chǎn)業(yè)的觀察結(jié)果，在此后的半個世紀(jì)中，摩爾定律被證明是有效的。
在1960年代早期，寬度約與棉纖維相當(dāng)?shù)囊粋€晶體管，按現(xiàn)在的美元計算價格約為8美元(約合人民幣51元)。目前，指甲蓋大小的芯片可以集成數(shù)十億個晶體管，晶體管的價格已經(jīng)下降到1美分(約合人民幣6分錢)能買好多的水平。
計算機芯片的發(fā)展幫助硅谷給世界帶來了令人吃驚的進步，其中包括PC、智能手機和互聯(lián)網(wǎng)。但是，最近數(shù)年，根據(jù)摩爾定律預(yù)測的芯片發(fā)展速度放慢了。約10年前，芯片速度停止進一步提高，新一代芯片問世的時間延長，單個晶體管的成本不再下跌。
《紐約時報》表示，技術(shù)專家現(xiàn)在認(rèn)為，新一代芯片的問世會更慢，兩代芯片之間的間隔將延長至2.5-3年。他們擔(dān)心，到2020年代中期，屆時僅由數(shù)個分子構(gòu)成的晶體管將無法可靠地工作。除非有新的技術(shù)突破問世，摩爾定律時代將告終結(jié)。
博通首席技術(shù)官亨利·薩繆里(Henry Samueli)在談到摩爾定律時說，“它頭發(fā)已經(jīng)花白，已經(jīng)年老了。摩爾定律尚未死亡，但即將退休。”
1995年，摩爾將晶體管數(shù)量翻番的時間修改為2年。他認(rèn)為摩爾定律能在如此長時間內(nèi)有效是了不起的，最近在紀(jì)念摩爾定律問世50周年的一次會議上表示，“最初時考慮它的有效時間是10年，我認(rèn)為這已經(jīng)夠長了。”
但一個問題是，一旦不斷提高的速度、不斷降低的能耗需求和更低的價格這一組合無法持續(xù)下去，會出現(xiàn)什么情況？
英特爾前電子工程師羅伯特·科威爾(Robert P. Colwell)說，出現(xiàn)這種情況的影響遠不僅僅局限于計算機產(chǎn)業(yè)。科威爾在英特爾曾負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)奔騰芯片的設(shè)計。 科威爾說，“以汽車產(chǎn)業(yè)為例。過去30年推動汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的是摩爾定律。”汽車產(chǎn)業(yè)在引擎控制器、防抱死剎車、導(dǎo)航、娛樂和安全系統(tǒng)方面的大多數(shù)創(chuàng)新都來自價格越來越低的半導(dǎo)體。
硅谷卻沒有這種擔(dān)憂。過去30多年來，計算產(chǎn)業(yè)一直聲稱計算速度會更快，容量會更高，價格會更低。這被描述為互聯(lián)網(wǎng)時代，甚至是奇點(即計算機的處理能力將超過人的智能)。
物理極限
芯片是由金屬連線和基于半導(dǎo)體材料的晶體管組成的。最先進晶體管和連線的寬度小于光的波長，最先進電子開關(guān)的尺寸小于生物病毒。
芯片采用光刻工藝制造。自1950年代末被發(fā)明以來，光刻工藝一直在不斷發(fā)展。目前，芯片光刻工藝已經(jīng)發(fā)展到使用紫外激光。
由于元器件和連線的尺寸已經(jīng)縮小到只有幾個分子大小，工程師在芯片設(shè)計中采用了計算機模擬技術(shù)。設(shè)計自動化軟件廠商Mentor Graphics首席執(zhí)行官瓦爾登·萊因(Walden C. Rhines)表示，“這是在戲耍物理學(xué)。”
如果由恩格爾伯特首先描述的這種“縮小”不能持續(xù)下去，大型芯片廠商該如何應(yīng)對呢？《紐約時報》稱，其一，它們可以轉(zhuǎn)向軟件或新的芯片設(shè)計，從相同數(shù)量的晶體管中“榨取”更高的計算能力。
另外，芯片產(chǎn)業(yè)還寄希望于新材料。專用芯片廠商Efficient Power Conversion Corporation首席執(zhí)行官、物理學(xué)家亞力克斯·里道(Alex Lidow)說，其他材料可能取代硅，被用來生產(chǎn)更小的晶體管、新型存儲設(shè)備、光通訊設(shè)備。
還有許多全新技術(shù)，例如量子計算——如果實用化，將大大提高計算速度；自旋電子學(xué)——能使未來的計算技術(shù)進入原子量級器件時代。
最近，業(yè)界對一種被稱作極紫外線光刻的技術(shù)非常樂觀。如果獲得成功，它將使芯片廠商采用更先進的工藝生產(chǎn)芯片，同時簡化芯片生產(chǎn)過程。但這一技術(shù)尚未在商業(yè)生產(chǎn)中得到驗證。
今年早些時候，荷蘭光刻機廠商ASML表示，已經(jīng)獲得美國一家客戶的巨額極紫外線光刻機訂單，大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士都認(rèn)為這家客戶是英特爾，這意味著英特爾在制造工藝方面將比其他芯片廠商領(lǐng)先一步。
不同于三星、臺積電等主要競爭對手的是，英特爾高管堅信公司在可預(yù)見的將來能繼續(xù)降低芯片制造成本，他們不認(rèn)可晶體管價格已經(jīng)趨于穩(wěn)定的觀點。
盡管如此，英特爾也不能完全“藐視”物理學(xué)。英特爾7月份表示，它將把采用10納米工藝技術(shù)的時間推遲到2017年。這打破了英特爾一年換用新生產(chǎn)工藝、下一年采用新芯片架構(gòu)的新產(chǎn)品發(fā)布周期。
英特爾首席執(zhí)行官科再奇(Brian Krzanich)在一次分析師電話會議上說，“最近的兩次技術(shù)轉(zhuǎn)換已經(jīng)表明，我們采用新工藝的周期接近2年半而非2年。”
不再有順風(fēng)車
《紐約時報》指出，對這些問題的樂觀看法是，芯片開發(fā)的放緩將導(dǎo)致更激烈的競爭和更多創(chuàng)造性。許多半導(dǎo)體廠商都不像四大芯片制造商GlobalFoundries、英特爾、三星和臺積電那樣有先進的制造工廠。
哈佛商學(xué)院教授大衛(wèi)·約菲(David B. Yoffie)說，芯片制造工藝發(fā)展放緩可能使得稍微落后一些的廠商能在不要求最先進性能的市場上競爭。
即使不斷縮小的晶體管尺寸不會使芯片更快、更廉價，也會降低芯片能耗。將于2010年代末問世的超低能耗計算機芯片在有些情況下甚至不要求使用電池供電，而能夠利用太陽能、振動、無線電波甚至汗液供電。
這些芯片會催生什么樣的產(chǎn)品？沒有人知道。但產(chǎn)品設(shè)計人員將被迫以不同方式思考他們開發(fā)的產(chǎn)品，而不能坐等處理能力更強大的芯片。借助摩爾定律，計算機尺寸越來越小，但在設(shè)計方面并沒有什么突破。蘋果前高管托尼·法德爾(Tony Fadell)表示，“過去，設(shè)計師很懶散。”
物理學(xué)家卡佛·米德(Carver Mead)說，“過去我們基本上是在搭順風(fēng)車，這真的很蠢，但很有效。”
事實上，摩爾定律至少在未來10年還會有效。如果不是這樣，人類將必須更有創(chuàng)意。