摩尔定律是信息技术领域的重要理论，对半导体、计算机硬件、移动设备及生物等多个领域产生了深远影响。

定律详述

起源与发展历程

自 19 世纪末汤姆逊（J.J.Thomson）证实电子存在后，人类开启了对电子的大力探索与应用。20 世纪初，真空管发明，电子能在真空中运动，催生了无线电技术，为电子科技发展奠定基石。1947 年，贝尔实验室的威廉·肖克莱、沃尔特·布拉顿和约翰·巴丁共同发明晶体管；1958 年，基尔比首创集成电路，将多个晶体管芯片连接；次年，诺伊斯通过平面工艺实现金属互连，推动集成电路发展，二人共同获得集成电路发明殊荣。1959 年，美国仙童公司推出平面型晶体管；1960 年，诺依思利用平面工艺制造出首块实用化集成电路芯片，同年贝尔实验室的姜大元和默罕默德·阿塔拉成功研制 MOS 场效应晶体管；1961 年，仙童半导体公司推出平面型集成电路，其平面型制造工艺采用“光刻”技术形成半导体电路元器件，被认为是半导体工业关键，也为摩尔定律问世奠定技术基础。

1965 年 4 月 19 日，时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔应邀为《电子学》杂志 35 周年专刊撰写观察评论报告《让集成电路填满更多的元件》，发现每个新芯片大体包含前一个芯片两倍容量，每个芯片产生在前一个芯片产生后的 18 - 24 个月内，若此趋势继续，计算能力相对于时间周期将呈指数式上升，这便是后来的摩尔定律。该定律不仅适用于存储器芯片描述，也精确说明了处理机能力和磁盘驱动器存储容量的发展，成为许多工业性能预测的基础，揭示了信息技术行业惊人速度，成为计算机硬件发展史重要理论基石。

1975 年，戈登·摩尔在国际电信联盟 IEEE 的学术年会上发表论文，根据当时技术发展实际，重新评估并修正最初“密度每年翻一番”的预测增长率，将其调整为“每两年翻一番”。Intel 公司的统计数据提供初步广泛验证，从 1971 年推出的第一款 4004 的 2300 个晶体管增加到奔腾 II 处理器的 750 万个，增长 3200 倍，精准符合“每两年翻一番”预测，进一步证实其准确性。通过观察个人计算机核心组件，如微处理器从 1979 年的 8086 和 8088 开始，到后续系列不断更新换代，功能日益强大且制造成本逐渐降低，也验证了摩尔定律的正确性。

2003 年，鉴于物理极限、经济成本以及技术进步的综合影响，摩尔定律再次修正，芯片集成度调整为大约每一年半翻一番，这一观点得到戈登·摩尔本人的认可。这一修正反映了摩尔对技术进步趋势的深刻洞察，展示了科学理论应对现实挑战的灵活性与适应性，修正后的摩尔定律依然是预测和推动半导体行业发展的重要理论工具，对指导技术创新和产业发展意义重大。

相关概念拓展

• 摩尔第二定律：除摩尔定律描述的半导体器件技术和工艺发展速度外，半导体技术进一步发展还受经济学定律显著约束，虽非官方命名，但成为半导体技术发展中经济约束的代名词。1995 年，Intel 董事会主席罗伯特·诺伊斯认识到物理极限和经济因素对摩尔定律的制约，指出成本增加和物理限制可能共同成为阻碍性能进一步提升的关键因素，摩尔本人也表达类似忧虑，此观点后被称为“摩尔第二定律”。具体而言，在半导体产业中，随着工艺设备投资不断增加，经济可行性成为决定性因素，如建一座芯片厂，线条尺寸缩小到 0.1 微米时投资将猛增至 100 亿美元，比一座核电站投资还大，导致越来越多公司退出芯片行业。戈登·摩尔在 1995 年发表文章指出，过去工艺设备投资每翻一番，产品性能可大幅度提升，但这种提升速度已显著下降。摩尔第二定律揭示了半导体产业发展中的经济现实，提醒人们追求技术进步时要充分考虑经济成本和效益平衡。
• 新摩尔定律：又称光纤定律（Optical Law），是加拿大北电网络公司（Nortel）总裁约翰·罗斯（John Roth）在联合国“1999 世界电信论坛会议”上提出的观察结论。该定律指出，因特网的频宽每 9 个月就会增加一倍，而成本同时降低一半。1999 年，数据库技术先驱杰姆·格雷也提出相关观点，他观察到全球信息量增长速度惊人，每 18 个月新增信息量超过计算机有史以来全部信息量总和，揭示了信息时代爆炸性增长特点，对数据处理、存储和分析提出更高要求。2007 年 1 月 11 日，杰姆·格雷发表题为“科学方法的革命”的演讲，阐述数据密集型科学，这被认为是继实验归纳、模型推演和仿真模拟之后的第四种科学范式，不仅影响数据库技术发展方向，也为数据密集型科学兴起奠定基础。

相关人物

戈登·摩尔

英特尔联合创始人，1929 年 1 月 3 日出生于美国旧金山。高中毕业后进入加州大学伯克利分校化学专业学习，1950 年毕业实现少年梦想，1954 年在加州理工获得物理化学专业博士学位。1968 年与罗伯特·诺伊斯一起创立英特尔并任公司副总裁，1975 年出任总裁和首席执行官，1987 年放弃首席执行官职位继续担任董事长，1997 年成为名誉主席，2006 年卸任。

卡沃·米德

加州理工学院教授，职业生涯主要在该校展开。1952 年进入加州理工学院接受本科和研究生教育，1958 年成为教职员工，1960 年获得博士学位，1967 年成为全职教授。其研究涉及半导体、微电子学等诸多领域，首创 VLSI 课程，创造性运用多项目共享晶圆方法学。与德尔布鲁克（Delbruck）合作探索生物领域中膜中离子传输的物理原理，打破当时对生物系统电流 - 电压特性的传统认知。20 世纪 80 年代提出神经形态工程（Neuromorphic engineering）这一创新理念，通过模拟电路的超大规模集成电路模拟人脑神经系统，为人工智能和神经科学领域发展注入新活力。有观点认为摩尔定律原始构想并非直接源于摩尔本人，而是米德教授率先提出相关关联现象观察，与摩尔后来预测在核心思想上有一定一致性。

表述模型

摩尔定律定义为单个集成电路芯片内所集成的晶体管数目每隔 1.5 - 2 年翻一番。其数学模型可描述为：设N0是年份t0时单芯片中集成的晶体管数目，N1是通过该等式预测出的年份t1时所能单片集成的晶体管数目，增长因子m是晶体管数目每翻一番所需要的年数。

• 一年翻一番（m=1，即 12 个月）：1965 年，摩尔博士根据前四年单芯片集成晶体管数目做出预测，当时单芯片集成水平约每片 100 个晶体管，集成度发展将呈现惊人速度，大约每过一年芯片上集成度就会翻一番。
• 两年翻一番（m=2，即 24 个月）：1975 年，摩尔博士根据 1965 年至 1975 年间实际芯片集成度数据，对数学模型进行调整，将增长因子m修正为 2，意味着芯片上集成度每两年翻一番，使模型更精准反映当时发展趋势。
• 一年半翻一番（m=1.5，即 18 个月）：在摩尔博士预测后，有专家进一步细化，认为芯片集成度实际上是每一年半翻一番，这一观点在 2003 年得到戈登·摩尔本人的认可，他在 IEEE 国际固态电路会议上指出，晶体管均价、沟道长度和栅氧化层厚度等关键参数减小趋势，均符合增长因子m等于 1.5 的预测。

意义影响

技术进步的标志

摩尔定律揭示了半导体技术持续快速进步的本质，表明集成电路上晶体管等元器件数量和性能每隔一段时间翻倍，是技术进步的量化表达。这种快速进步使计算机硬件性能不断提升，为计算机行业发展提供坚实基础。

推动产业发展的动力

作为信息技术产业持续发展的核心动力，摩尔定律激发企业挑战技术极限，追求性能提升与成本降低。从微处理器、存储设备到网络通信，各项技术革新围绕其预测展开。英特尔产品突破与成功与之契合，众多半导体公司、通信设备制造商及软件开发者等也在其指引下加大研发投入，积极应对技术挑战与市场需求，促进半导体行业良性发展。

经济和社会发展的引擎

随着芯片和处理器性能提升，个人电脑飞速发展并广泛普及，成为工作、生活得力助手，极大提升生产效率，改变人们生活方式，为经济社会发展注入活力。个人电脑和互联网普及推动信息通信产业蓬勃发展，传输速度攀升和信号转变使语音信号更清晰，信息服务更完善，优化通信体验，为企业带来广阔市场前景和丰富商业机遇。此外，还催生数字化、智能化、网络化等趋势，促进全球经济互联互通和合作共赢。

对未来预测的参考

摩尔定律并非严格数学或物理定律，而是对发展趋势的分析预测，其文字表述和定量计算应容许一定宽裕度。通过分析研究其适用性和局限性，可更好把握信息技术发展方向和潜在挑战，为未来技术创新和产业发展提供有益参考和启示。

局限性

技术方面的制约

• 大规模集成电路生产制造技术的局限：在摩尔定律推动下，芯片上晶体管数量不断增长，达到原子级甚至接近量子级别精密水平，电路宽度从几十微米缩小到几十纳米。这种极端小尺度要求光刻技术达到极高精密度。
• 计算处理问题：随着人工智能、大数据分析等领域发展，计算能力需求急剧攀升，传统 CPU 计算方式无法满足现代复杂应用高效需求，尤其针对特定应用硬件加速器成为必要。即使摩尔定律继续有效，其预测增长速度也难以应对某些计算密集型任务，数据库架构师等专家已转向使用硬件加速器卸载 CPU 计算负担，凸显传统 CPU 处理这些任务的局限。

成本方面的制约

• 生产技术和研发的投入巨大：芯片制造技术深入发展，每次工艺精进都伴随研发成本显著增长。追求晶体管数量增长需在原子级别精密制造，要求高端技术人才，对设备、材料和工艺投入大量研发资金。光刻技术关键操作和光源选择带来高昂成本，无尘环境下生产设施建设和维护也增加制造成本。当硅基晶体管接近原子尺度时，制造成本剧增，技术难题频发，进一步缩小在经济上不可行。
• 生产线和生产厂投资巨大：芯片生产线高标准高要求意味着巨大投资，随着芯片集成度提高，生产线设计、规划和调试成本不断增加。自动化生产线和高度精密设备需要巨大初始投资，且每一代新技术推出，生产线都需更新升级。这种高昂投资使芯片制造商承担巨大财务压力，需通过大规模生产分摊成本。
• 规模效应不显著：摩尔定律要求芯片制造商每 18 个月进行一次工艺升级，导致生产线和技术不断更新换代。然而频繁升级换代使企业难以充分回收初始投资并实现规模效应，每当新技术推出，制造商可能还未从旧技术中收回成本就需投入新一轮研发和生产，这种周期性模式削弱规模效应发挥。

应用领域

半导体行业

摩尔定律在半导体行业应用极大推动技术变革，引导行业从等比例缩小技术转向以功耗降低为核心的后摩尔时代，促使行业实现从简单晶体管到复杂集成电路的跨越式发展。晶体管数量急剧增加提升芯片性能，为计算机、手机、平板等设备广泛普及和性能飞跃提供技术支撑。在纳米半导体工艺领域，特征尺寸进入纳米级别，传统平面晶体管技术面临物理极限挑战，业界积极寻求并应用新型器件技术克服限制，提升器件性能，延续摩尔定律适用性和发展动力。

计算机硬件

在计算机硬件领域，晶体管尺寸持续缩小，光刻技术极限挑战和材料成本上升等物理因素逐渐显现。深入研究和广泛应用摩尔定律，能更精准理解和预测硅基芯片技术潜在极限，为未来技术研发和创新提供有力指导。在计算复杂度极限预测上，依据摩尔定律预测，芯片上晶体管数量持续增长理论上将推动计算机系统处理速度和能效不断提升。

移动设备

在移动设备领域，摩尔定律应用显著。智能手机、平板电脑等设备广泛普及，其影响拓展至无线技术、传感器技术以及光学技术等众多新兴领域。以智能手机为例，处理器速度不断提升、存储容量持续扩大以及能效比显著改善，得益于摩尔定律推动，为用户提供更迅捷数据处理能力和更持久电池续航时间。

生物领域

在生物领域摩尔定律也得到广泛体现和应用。基因组测序方面，测序技术快速发展和成本显著降低，能在更短时间内以更低成本完成整个基因组测序工作，得益于芯片制造技术突破提升测序仪器性能。基因编辑方面，对 DNA 序列精确操作离不开高精度、高效率实验工具和设备支持，摩尔定律推动的半导体技术进步使基因编辑仪器能更快速处理和分析大量遗传信息，提高基因编辑效率和准确性。

替代理论

登纳德缩放比例定律

由罗伯特·登纳德在 1974 年提出，是半导体工业重要法则。它预测并描述在技术进步推动下，每一代芯片工作频率（即时钟速度）相比上一代产品会提高约 40%。但随着微处理器频率大幅提升，约提高 1000 多倍后，因功率密度限制，芯片将遭遇“功率墙”，即频率无法再进一步提升的临界点。这一定律揭示半导体技术进步与功耗之间的权衡关系，为芯片设计和制造提供重要指导原则。

库梅定律

由斯坦福大学教授乔库梅在 2011 年提出，描述计算机能源效率发展趋势。指出在相同计算量下，每隔 18 个月所消耗能量将减少一半，揭示随着技术进步，计算机系统在提高性能同时不断降低能耗，提高能源效率。

Raja 定律

计算设备每 10 年会出现一种全新价格，性能是前代的 10 倍，这一趋势从最初单核 CPU 开始，逐步演进到多核 CPU、GPU，以及各种高性能 AI 芯片。

贝尔定律

表明每过 10 年，半导体、存储、用户接口和网络技术进步会推动一个全新、价格更低廉计算机平台出现，并催生独立产业结构，即每 10 年会有一个重要计算机架构问世。

吉尔德定律

又称胜利者浪费定律，由乔治·吉尔德提出，预测在可预见未来，主干网带宽将每 6 个月增长 1 倍。

梅特卡夫定律

由罗伯特·梅特卡夫提出，揭示网络技术发展规律，阐述用户数量与网络价值关系，即网络价值与网络用户数量平方成正比，N个联结能够创造N×N的效益。

海兹定律

以安捷伦科技公司（Agilent Technologies）的罗兰·海兹（Roland Haitz）命名，认为 LED 的亮度每 18 - 24 个月可提升 1 倍。

王氏定律

由京东方创始人王东升通过对率导体显示行业技术特点和行业周期波动长期研究提出，指出若保持价格不变，显示产品性能必须每 36 个月提升 1 倍以上。

相关争议

关于摩尔定律最初提出者身份，学界存在不同说法。有观点认为其原始构想并非直接源于摩尔本人，而是加州理工学院卡沃·米德教授率先提出相关关联现象观察，指出在某一固定价格水平下，电脑处理能力每两年提高一倍，相应价位电脑处理装置价格同期降低一半，这一观察与摩尔后来预测在核心思想上具有一致性，共同构成摩尔定律理论基础。

发展趋势

新材料、新工艺的探索

随着晶体管尺寸逐步缩小和集成度提高，集成电路性能取得显著进步，但逐渐接近物理极限，摩尔定律预示增长速度面临挑战。为克服瓶颈，业界积极探索新材料、新工艺和新型晶体管结构，期望在维持性能提升同时继续缩小晶体管尺寸。

新型技术的支持

新型技术崛起为摩尔定律未来发展注入新活力。三维集成电路、光子芯片、量子计算等前沿技术研发和应用，为计算机硬件领域带来突破。这些技术有望显著提升性能，在降低能耗和成本方面发挥重要作用，进一步延续摩尔定律生命力。

多元化的发展

多元化技术发展为摩尔定律延续提供新可能。除传统中央处理单元（CPU）外，图形处理单元（GPU）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）等不同类型芯片不断发展壮大，在各自擅长领域发挥重要作用，共同提升计算机整体性能和效率，使摩尔定律在不同领域应用更广泛深入。

英特尔的预测

在半导体行业会议 IEDM2022（2022 年 IEEE 国际电子器件会议）上，英特尔展示在 2D 材料、3D 封装技术以及存储器技术等多个领域进展，并对摩尔定律未来进行预测，称未来十年将持续推动其发展，预计至 2030 年在单个设备中提供约 1 万亿个晶体管的目标。