摩尔定律表述为集成电路上可容纳的晶体管数目每18个月将增加一倍。它最初是由美国G.摩尔[注]在1965年提出的,他研究了1959~1965年集成电路产业的发展数据,并预测在接下来的十年间集成电路上可容纳的晶体管数目每年将会增加一倍。美国C.米德[注]将这一表述冠以“摩尔定律”的名字,并为世人所接受。到1975年,集成电路的复杂度的确发展到摩尔定律所预测的阶段。同时,摩尔在分析更多产业数据后,将技术换代的周期从先前所表述的一年调整为两年(24个月)。
自摩尔定律提出后,集成电路产业已按照该规律发展了超过50年,其背后的推动力既有技术因素也有经济和市场因素。集成电路制造工艺和器件技术的持续创新一直是至关重要的推手。按照时间排列,部分具有代表性的发明创造包括双极型器件、金属氧化物半导体器件、互补金属氧化物半导体工艺、钨插塞工艺、沟槽隔离、铜互连、应力硅、高k介质和金属栅及鳍式场效应晶体管器件等。这些技术使得集成电路上的器件尺寸持续缩小,集成密度、互连密度持续提高,同时克服了小尺寸器件性能下降、漏电流增大以及互连延迟增加等困难。经济和市场的因素也同样不容忽视,各种技术创新的目的是进一步提高单位面积上可集成晶体管数目,降低单个晶体管的制造成本,从而不断增加集成电路产业的利润。如果按照更快速度进行技术演进,初期巨大资金和人力投入使得制造成本不降反升;反之则集成电路产业不能跟随市场需求的快速变化。摩尔定律是集成电路产业作为人类社会经济行为所遵循的一种阶段性的规律。技术背后的物理学规律和经济学规律共同作用下使得集成电路产业不断向前发展,集成电路的复杂度不断提高而成本却不断降低。更为难能可贵的是,摩尔定律将产业的发展速度进行了定量化表述。
摩尔定律虽是对产业发展的一种预测,但它也逐渐成为产业发展的一个驱动力,产业界自觉以摩尔定律预测未来发展目标——如每两年发布的国际半导体发展路线图——并有目标地进行技术革新,而这种驱动力最终使得人们来到后摩尔时代。工艺的特征尺寸已缩减到10纳米以下,量子力学限制成为阻碍集成电路产业继续按照摩尔定律发展的物理壁垒,而不断攀升的巨额投入则逐渐形成经济壁垒,集成电路产业发展速度放缓已现端倪。壁垒虽高,但创新的源动力更为强劲:隧道场效应晶体管、电子自旋器件及磁电器件等各种基于新原理的器件或可使得摩尔定律继续延续;三维集成等新技术的出现则使得人们可绕开壁垒限制,继续扩展集成电路功能、增加集成度,进入所谓的“超越摩尔定律”时代。