作者：毛貽軍
這是一個人們津津樂道的歷史傳奇：在1965年4月19日出版的面向電子工程師的雜誌《Electronics（電子學）》上， 時任Fairchild半導體公司研發部主任的戈登.摩爾博士（Gordon E. Moore）（圖1）， 用一個富於動感的標題， 發表了一篇必將永為經典的文章：《給積體電路塞上更多的元件》。 在這個大字標題的下面， 緊接著的是一段大字印刷的預言：
“當電路所包含的元件數目上升時， 單位成本就會下降， 到1975年， 在單塊矽晶片上面會被經濟學塞進去6萬5千個元器件。 ”
在摩爾作出這個預言的1965年， 只能做到在單塊晶片上面集成30個電晶體， 而今天呢， 在一個邏輯晶片上面，
顯然摩爾本人是這個定律的最大受益者之一， 因為他看准了就馬上開始行動， 於1968年7月與人一起創立了Intel公司， 擔任執行副董事長， 于1975年出任董事長和CEO， 1979年4月出任董事會主席和CEO， 一直到1987年， 才專職董事會主席， 目前則為董事會名譽主席。
（圖1）Gordon E. Moore
可以說， 在Intel的輝煌後面， 人們首先聯想到的， 一定就是摩爾博士。 但是摩爾博士的後面呢？
還是在1965年的那篇經典文獻裡面， 一個不為人注意的地方， 配發了作者的頭像， 並用很小的字體對摩爾博士做了別具意味的介紹：
“Gordon E. Moore博士， 一個新一代的電子工程師， 接受的是物理科學的教育， 而不是電子學的教育。 …”
確實， 摩爾博士的學歷如下：于1950年在加州大學伯克利分校獲得化學學士學位；於1954年在加州理工學院獲得化學與物理學博士學位。
我們再看他的工作經歷：1953年，
（圖2）從左到右分別為John Bardeen, William Shockley, Walter Brattain
作為一個技術與工藝的創新者， 作為一個風雲世界的晶片王國的國王， 一般人確實很難會去注意到摩爾博士的光環後面， 首先是個純粹的科學家。
其實不止摩爾本人是受惠於科學的訓練， 連偉大的摩爾定律， 儘管仍然且還將推動歷史的狂潮， 但它的肇始和終結， 也早已經由一個天才的物理學家規劃好了。
這位歷史的真正先知就是極富傳奇性的美國物理學家理查.費曼（Richard Feynman）（圖3）。 那是在1959年12月的29日， 這時他還沒有開始他在加州理工學院所開的妙趣橫生的物理學講座，
（圖3）Richard Feynman
當時正是美國和蘇聯正在緊鑼密鼓爭奪太空的時候， 費曼看在眼裡，悶在心裡，“其實我們人類花那麼大的力氣去爭奪外太空，還不如多花些功夫到針尖上面，”費曼說。因為他太熟悉從宇宙到基本粒子的整個物理世界的各個數量級範圍了，如果從我們人類自身尺度的1米出發，要走到外太空，需要經過幾十萬米的航程，也就是10的5次方的量級，可是如果我們從米出發，向微觀世界挺進呢，到毫米是10的負3次方，到微米是10的負6次方，再到納米是10的負9次方，由於納米是分子與原子的尺度，所以我們人類的工程完全可以向下延伸9個量級啊！所以費曼說：“那個下面是一個驚人的小世界。到2000年的時候，當人們回顧現在（1959年）的時候，一定會奇怪為什麼我們到1960年了，才想到要向小的方向發展。”
費曼舉了一個例子來說明這個小世界有多大，“我們為什麼不把整個24卷大英百科全書都抄寫到一個針尖上面去呢？”，經過很簡單的計算，可以知道如果真是把整個24卷大英百科全書的全部頁面都印刷到針尖上面的話，那麼書裡面最小的一個句點，都還可以分到1000個原子的面積來表示，這已經是夠寬敞的了。費曼進一步引申開來，如果我們用5乘5乘5個原子，也就是1百多個原子來表示一個bit的資訊的話，再把全世界所有的書籍裡面的資訊都通過編碼轉化為以bit為單位的形式，那麼我們需要多少個原子來紀錄所有這些資訊呢？只需要一顆200分之一英寸大小的灰塵！要知道這麼大的灰塵用我們的肉眼只能勉強看見。
那麼這樣的資訊紀錄方式可能存在嗎？費曼說，有，自然界就有，他舉出了很多生物大分子的例子，特別是DNA分子（圖4），我們人類所有的生命特徵資訊，不正是都紀錄在那長長的DNA雙螺旋鏈上面嗎？
（圖4）紀錄全部生命遺傳信息的DNA分子
然後費曼給我們提出了一個挑戰，為什麼我們不把電腦造這麼小呢？於是他從物理學的角度給聽眾講解了在小型化的過程中，如何解決摩擦潤滑的問題，如何解決散熱的問題，如何解決資訊的讀與寫的問題，如何保證微小世界裡面機器工作的穩定性問題，等等，先知費曼都已經為我們設想好了，他還設想到除了用原子造電腦，還可以造各種機器，基本的手段就是對原子的操縱，而對於物理學家費曼來說直接與原子打交道是一件多麼熟悉的事情啊！
最後，費曼為了鼓勵人們勇敢地走向微小世界，從而實現他所憧憬的能夠把一切機器包括電腦都縮小的世界，他建立了兩個獎項：第一項，給第一個能夠把一頁書的資訊都紀錄到頁面的1/25,000面積上的人士獎勵1000美元；第二項，給第一個能夠在1/64英寸大小的空間裡面造出一台能夠通電轉動的電動機的人士，也獎勵1000美元。然後他說：“我不希望這個獎要等太長的時間才發得出去”。
果然，在先知費曼的召喚下，從60年代中期開始，一批接受過最新的半導體物理教育的年輕人，借助市場的力量，開始了以18個月為週期的，一波接一波的逐步縮小電晶體尺寸的積體電路晶片設計製造歷史，這就是摩爾定律的由來，而同時在實驗室裡面，科學家們也開始向“小，更小”的人工製造尺度進軍。一直到20世紀末，人們終於開始實現原子操縱了，不但可以直接吸取單個原子來碼字，還可以組裝原子機器了，而費曼設立的獎項也成了一個常年的年度獎項，每年向在原子分子設計與操縱方面作出貢獻的科學工作者授獎。因為我們的半導體晶片工業界所使用的微加工技術即將抵達終點，這就需要基礎科學界提供更加寬廣的技術實現途徑，以便延長摩爾定律的有效期，直到我們抵達費曼所預言的人造機器的量子尺度極限，那時，摩爾定律也就可以光榮地退出歷史舞臺了。
趁著摩爾定律仍是所有人關注的明星，讓我們來看看那些遵循摩爾定律，能夠不斷“瘦身”的角色吧。
首先上臺的當然就是電晶體了，下面的圖5是製作在矽晶片上面的一個電晶體的側視模式圖與頂視模式圖。任何的現代積體電路晶片，都基本上是由這種稱為MOSFET的上萬，幾十萬，乃至百萬千萬個電晶體組成，它的基本工作原理就是在S與D兩個電極之間可以加上電壓，從而產生電流，同時門極上也可以加上電壓，使得這個電流受到門電壓的控制。這樣這個電晶體的基本工作狀態就是兩個：當門電壓高時，電極S與D之間可以產生電流；當門電壓低時，則電極S與D之間的電流被截止。
（圖5）MOSFET的結構模式圖
從上面的模式圖可以看到，決定電晶體尺寸的，就是其中各個電極，電極之間的介質與通道的幾何尺寸，因此要縮小電晶體，就是尋求能夠在矽基底上面進行微加工的技術，以及隨著器件尺寸的減小，必須通過線路設計來解決增加功能，減少功耗與散熱的問題。
按照MOSFET的命名的意思，這種結構的電晶體使用的材料包括了金屬氧化物，矽，以及金屬電極，這種材料上的特點，以及器件結構上的特點，都對決定了這種形式的電晶體的尺寸下限，因此隨著Intel一輪又一輪的新主頻CPU問世，這種結構的尺度潛力也即將被壓榨乾淨，因此人們開發了多種材料，以及多種結構的電晶體製造工藝，以圖繼續摩爾定律。
同時，除了這種傳統的電晶體概念之外，科學家們還提供了更加多樣的進入“針尖世界”的途徑，特別是最近10多年以來，“納米”已經進入我們的日常生活，成為流行詞彙，溯其來源，就是因為這10多年來，人類在納米尺度取得長足的進步，無論是在對於納米世界的物理化學現象的理論理解方面，還是在納米尺度下的實驗，以及人工設計與操縱能力方面，都是碩果累累。其中陸續上臺，有望延續摩爾定律的候選者，包括現在最熱門的碳納米管，納米線和量子點。
下面的圖6，就是一種已經被NEC公司應用到汽車上面作為電極的碳納米管。所謂碳納米管，就是以幾十個碳原子為圓周的單壁或多重壁的管子，它具有非常適合製作電子器件的各種奇妙物理化學性質，非常有可能成為下一代電子器件的主要原料。
（圖6）碳納米管
下麵的圖7為橫置於4根金電極上面的多重壁碳納米管。
（圖7）橫置於4根金電極上面的多重壁碳納米管
下面的圖8為一個正常金屬與超導體混合構成的器件，中間的窄橋為幾百納米寬的金線。當器件的幾何尺寸達到納米量級的時候，會產生出大量在宏觀世界無法想像的現象，科學家們正在探索著如何利用這些微觀世界的特異現象，來設計製造更加鬼斧神工的機器。
（圖8）正常金屬與超導體混合構成的器件
下面的圖9為一個由納米線，量子點，以及典型的半導體砷化鎵做基底的納米器件。所謂量子點就是人工製造的由幾十幾百個原子構成的小塊物質，它已經完全屬於量子世界的物件，能夠表現出各種神奇的量子效應，有效地利用這些效應正是科學家們為未來的微觀器件設計提供的嶄新途徑。
（圖9）納米電子器件
上面這些例子，只是對世界上成千上萬的科學家們正在夜以繼日琢磨著的“針尖世界”的一管之窺而已，但是已經足夠讓我們感到輕鬆，因為摩爾定律看來並不會隨著摩爾博士的退休而退休，即使是傳統的微加工技術，據估計也還至少有10年的生命。然後，我們又將進入分子電子學的世界，那時摩爾定律將至少持續有效30年以上，再然後呢？別怕，因為摩爾定律的背後，並非只有摩爾一個人，而是整個科學在支撐著技術的發展，特別是象費曼那樣的天才，早已經向我們保證了，即使是針尖，也是一個極其寬廣的世界，即使是我們有一天走到了器件的量子極限，“我們具有作為人的幸福，就夠了”，先知費曼最後這樣教誨我們。
引自：http://www.ikosmos.name/
費曼看在眼裡，悶在心裡，“其實我們人類花那麼大的力氣去爭奪外太空，還不如多花些功夫到針尖上面，”費曼說。因為他太熟悉從宇宙到基本粒子的整個物理世界的各個數量級範圍了，如果從我們人類自身尺度的1米出發，要走到外太空，需要經過幾十萬米的航程，也就是10的5次方的量級，可是如果我們從米出發，向微觀世界挺進呢，到毫米是10的負3次方，到微米是10的負6次方，再到納米是10的負9次方，由於納米是分子與原子的尺度，所以我們人類的工程完全可以向下延伸9個量級啊！所以費曼說：“那個下面是一個驚人的小世界。到2000年的時候，當人們回顧現在（1959年）的時候，一定會奇怪為什麼我們到1960年了，才想到要向小的方向發展。”費曼舉了一個例子來說明這個小世界有多大，“我們為什麼不把整個24卷大英百科全書都抄寫到一個針尖上面去呢？”，經過很簡單的計算，可以知道如果真是把整個24卷大英百科全書的全部頁面都印刷到針尖上面的話，那麼書裡面最小的一個句點，都還可以分到1000個原子的面積來表示，這已經是夠寬敞的了。費曼進一步引申開來，如果我們用5乘5乘5個原子，也就是1百多個原子來表示一個bit的資訊的話，再把全世界所有的書籍裡面的資訊都通過編碼轉化為以bit為單位的形式，那麼我們需要多少個原子來紀錄所有這些資訊呢？只需要一顆200分之一英寸大小的灰塵！要知道這麼大的灰塵用我們的肉眼只能勉強看見。
那麼這樣的資訊紀錄方式可能存在嗎？費曼說，有，自然界就有，他舉出了很多生物大分子的例子，特別是DNA分子（圖4），我們人類所有的生命特徵資訊，不正是都紀錄在那長長的DNA雙螺旋鏈上面嗎？
（圖4）紀錄全部生命遺傳信息的DNA分子
然後費曼給我們提出了一個挑戰，為什麼我們不把電腦造這麼小呢？於是他從物理學的角度給聽眾講解了在小型化的過程中，如何解決摩擦潤滑的問題，如何解決散熱的問題，如何解決資訊的讀與寫的問題，如何保證微小世界裡面機器工作的穩定性問題，等等，先知費曼都已經為我們設想好了，他還設想到除了用原子造電腦，還可以造各種機器，基本的手段就是對原子的操縱，而對於物理學家費曼來說直接與原子打交道是一件多麼熟悉的事情啊！
最後，費曼為了鼓勵人們勇敢地走向微小世界，從而實現他所憧憬的能夠把一切機器包括電腦都縮小的世界，他建立了兩個獎項：第一項，給第一個能夠把一頁書的資訊都紀錄到頁面的1/25,000面積上的人士獎勵1000美元；第二項，給第一個能夠在1/64英寸大小的空間裡面造出一台能夠通電轉動的電動機的人士，也獎勵1000美元。然後他說：“我不希望這個獎要等太長的時間才發得出去”。
果然，在先知費曼的召喚下，從60年代中期開始，一批接受過最新的半導體物理教育的年輕人，借助市場的力量，開始了以18個月為週期的，一波接一波的逐步縮小電晶體尺寸的積體電路晶片設計製造歷史，這就是摩爾定律的由來，而同時在實驗室裡面，科學家們也開始向“小，更小”的人工製造尺度進軍。一直到20世紀末，人們終於開始實現原子操縱了，不但可以直接吸取單個原子來碼字，還可以組裝原子機器了，而費曼設立的獎項也成了一個常年的年度獎項，每年向在原子分子設計與操縱方面作出貢獻的科學工作者授獎。因為我們的半導體晶片工業界所使用的微加工技術即將抵達終點，這就需要基礎科學界提供更加寬廣的技術實現途徑，以便延長摩爾定律的有效期，直到我們抵達費曼所預言的人造機器的量子尺度極限，那時，摩爾定律也就可以光榮地退出歷史舞臺了。
趁著摩爾定律仍是所有人關注的明星，讓我們來看看那些遵循摩爾定律，能夠不斷“瘦身”的角色吧。
首先上臺的當然就是電晶體了，下面的圖5是製作在矽晶片上面的一個電晶體的側視模式圖與頂視模式圖。任何的現代積體電路晶片，都基本上是由這種稱為MOSFET的上萬，幾十萬，乃至百萬千萬個電晶體組成，它的基本工作原理就是在S與D兩個電極之間可以加上電壓，從而產生電流，同時門極上也可以加上電壓，使得這個電流受到門電壓的控制。這樣這個電晶體的基本工作狀態就是兩個：當門電壓高時，電極S與D之間可以產生電流；當門電壓低時，則電極S與D之間的電流被截止。
（圖5）MOSFET的結構模式圖
從上面的模式圖可以看到，決定電晶體尺寸的，就是其中各個電極，電極之間的介質與通道的幾何尺寸，因此要縮小電晶體，就是尋求能夠在矽基底上面進行微加工的技術，以及隨著器件尺寸的減小，必須通過線路設計來解決增加功能，減少功耗與散熱的問題。
按照MOSFET的命名的意思，這種結構的電晶體使用的材料包括了金屬氧化物，矽，以及金屬電極，這種材料上的特點，以及器件結構上的特點，都對決定了這種形式的電晶體的尺寸下限，因此隨著Intel一輪又一輪的新主頻CPU問世，這種結構的尺度潛力也即將被壓榨乾淨，因此人們開發了多種材料，以及多種結構的電晶體製造工藝，以圖繼續摩爾定律。
同時，除了這種傳統的電晶體概念之外，科學家們還提供了更加多樣的進入“針尖世界”的途徑，特別是最近10多年以來，“納米”已經進入我們的日常生活，成為流行詞彙，溯其來源，就是因為這10多年來，人類在納米尺度取得長足的進步，無論是在對於納米世界的物理化學現象的理論理解方面，還是在納米尺度下的實驗，以及人工設計與操縱能力方面，都是碩果累累。其中陸續上臺，有望延續摩爾定律的候選者，包括現在最熱門的碳納米管，納米線和量子點。
下面的圖6，就是一種已經被NEC公司應用到汽車上面作為電極的碳納米管。所謂碳納米管，就是以幾十個碳原子為圓周的單壁或多重壁的管子，它具有非常適合製作電子器件的各種奇妙物理化學性質，非常有可能成為下一代電子器件的主要原料。
（圖6）碳納米管
下麵的圖7為橫置於4根金電極上面的多重壁碳納米管。
（圖7）橫置於4根金電極上面的多重壁碳納米管
下面的圖8為一個正常金屬與超導體混合構成的器件，中間的窄橋為幾百納米寬的金線。當器件的幾何尺寸達到納米量級的時候，會產生出大量在宏觀世界無法想像的現象，科學家們正在探索著如何利用這些微觀世界的特異現象，來設計製造更加鬼斧神工的機器。
（圖8）正常金屬與超導體混合構成的器件
下面的圖9為一個由納米線，量子點，以及典型的半導體砷化鎵做基底的納米器件。所謂量子點就是人工製造的由幾十幾百個原子構成的小塊物質，它已經完全屬於量子世界的物件，能夠表現出各種神奇的量子效應，有效地利用這些效應正是科學家們為未來的微觀器件設計提供的嶄新途徑。
（圖9）納米電子器件
上面這些例子，只是對世界上成千上萬的科學家們正在夜以繼日琢磨著的“針尖世界”的一管之窺而已，但是已經足夠讓我們感到輕鬆，因為摩爾定律看來並不會隨著摩爾博士的退休而退休，即使是傳統的微加工技術，據估計也還至少有10年的生命。然後，我們又將進入分子電子學的世界，那時摩爾定律將至少持續有效30年以上，再然後呢？別怕，因為摩爾定律的背後，並非只有摩爾一個人，而是整個科學在支撐著技術的發展，特別是象費曼那樣的天才，早已經向我們保證了，即使是針尖，也是一個極其寬廣的世界，即使是我們有一天走到了器件的量子極限，“我們具有作為人的幸福，就夠了”，先知費曼最後這樣教誨我們。
引自：http://www.ikosmos.name/