一个晶体管，两个晶体管，三个晶体管，四个晶体管，

五个晶体管，六个晶体管，七个晶体管，摩尔。

早在1965年，当时几乎是史前的半导体工业制造集成电路使用的是等效的石刀和熊皮在美国，仙童半导体公司的研发实验室主任戈登·摩尔(Gordon Moore)撰写并发表了一篇很短的文章。如果您从未听说过这篇文章，请查看您的浏览器。你要么掉进了一个虫洞，要么不小心从你朋友的Facebook或Instagram页面，或其他一些互联网流行的部分被重定向了。然而，假设你属于这里，你应该听说过，也可能读过Gordon Moore的文章，题为“在集成电路中填充更多的组件”。

这不是一个特别具有纪念意义的文章标题，对吧?

然而，这篇文章的影响确实是巨大的。这是预言性的。这是第一次公开披露的预测，最终被称为摩尔定律．摩尔在1965年4月19日的《纽约时报》上发表了他长达4页的文章电子产品杂志，这是当时电子行业的主要出版物。摩尔的这篇简短的文章描述了半导体行业未来50年的发展进程——比这要长得多电子产品杂志成功地生存了下来。（电子产品杂志最后一期出版于1995年。)

关于摩尔定律已经写了很多，这是基于下面的图表，摘自戈登摩尔的文章电子产品：

仅使用5个数据点，基于实际设备的组件数量，戈登·摩尔(Gordon Moore)就能够预测:

“最低组件成本的复杂性以每年大约两倍的速度增长……当然，在短期内，这一速度如果没有增加，也可以预计会继续下去。”从更长期来看，增长速度有点不确定，尽管没有理由相信它不会在至少10年内保持几乎不变。这意味着到1975年，每个集成电路最低成本的组件数量将达到65,000个。

“我相信这么大的电路可以在一块晶圆上构建。”

(注:Moore在垂直分量计数轴上使用log2刻度。记住这个事实;这在以后会很重要。)

戈登·摩尔是对的。哦，兄弟，他说得对吗?(好吧，事实上，他基本上是对的。十年后，摩尔将他的预测从1年翻倍周期修改为2年翻倍周期，但基本思想仍然合理，直到最近，我们最终需要开始将原子切成两半，以减少50%的器件几何形状。)

虽然摩尔定律(适用于平面单片器件缩放)已经跑完了马拉松的最后一英里，但它对半导体行业、总体电子行业以及全球整体经济都产生了深远的经济影响。这是一个不小的壮举，因为这篇4页的文章出现在一份相对不知名的行业杂志上(就当时公众的关注而言)，涉及的行业相对较小。

在过去的50年里，许多书籍和杂志文章都讨论、分析和回顾了摩尔定律。我自己至少写过十几篇这样的文章。(许多这样的文章错误地把半导体的进步归功于摩尔定律，而这些进步本应属于摩尔定律Dennard扩展:更快的晶体管速度和更低的功耗与每个新的工艺节点。)在这一点上，你会认为关于摩尔定律的原始文章没有什么可讨论的了。

但确实有。

它已经在上面的图表中骄傲地站了将近54年。你看到了吗?我没有。很多年没有了。直到大卫·劳斯的一篇文章强调了我自己的失明。

在过去的十几年里，劳斯一直是加州山景城计算机历史博物馆的半导体馆长。他还担任过三家半导体公司(Quicklogic、Altera和AMD)的总裁或副总裁，所以他的血液里流淌着半导体的血液。(这是比喻，不是字面意思。)20世纪60年代，劳斯在英国SGS-Fairchild工作，1968年搬到硅谷。因此，他对仙童半导体的历史特别感兴趣，他写了很多关于这段历史的文章。

劳斯的最新文章发表在计算机历史博物馆的网站上，题为“马德琳时刻连接摩尔定律文物这篇新文章描述了该博物馆2017年获得的一件文物。它只是一张便条纸，上面有戈登·摩尔(Gordon Moore)的印记，上面有七个粗糙的长方形，还有一些文字。纸上有个小口子，已经用发黄的胶带修补好了。这个小工艺品是Sheila Sello以她丈夫的名字捐赠的哈利你2017年去世。

20世纪60年代，Harry Sello在加州帕洛阿尔托仙童半导体研究实验室为Gordon Moore工作。劳斯在他的文章中写道:

1967年，戈登要求哈里为即将到来的演讲准备一些35毫米的彩色幻灯片，以说明这一趋势(摩尔定律加倍)。哈里告诉我，他组装了一系列芯片，包括让·霍尔尼1959年的单平面晶体管，以及1962年至1967年每年生产的双极IC，这些芯片符合每个组件的最低成本标准。”

这是Gordon Moore在他1965年的文章中用来选择设备的标准。摩尔定律是关于半导体器件密度和成本的。两年后，Sello收集了所需的半导体芯片，并拍了一张合影。那照片出现在劳斯的文章和下面，这里转载的计算机历史博物馆的许可。

哈里·塞洛1967年拍摄的5块仙童半导体芯片，戈登·摩尔用它来绘制预测摩尔定律的图表。(图片来源:计算机历史博物馆)

十年前，塞罗在计算机历史博物馆担任讲解员时，劳斯问起他的照片。它已经成为博物馆藏品的一部分，劳斯正在为博物馆研究摩尔定律的历史硅引擎在线展览．当时，塞洛可以回忆起照片中几个芯片的身份，但他不记得所有芯片的名字和制造日期。

几年后，当劳斯看到新获得的写在戈登·摩尔(Gordon Moore)笔记纸上的备忘录时，他恍然大悟，他写道:

“我曾在20世纪60年代在仙童工作过，我立刻认出了那个时代目录上的几个零件编号。哈利修补了纸上的一个破洞，并保存了50年，这对他来说一定很重要。当我试图破译戈登和哈利那些神秘的潦草字迹时，长方形的排列方式引发了我的玛德琳时刻。这是罗塞塔石碑与1967年照片中设备类型的匹配，前五个似乎与1965年文章中情节中设备的年份相匹配。”

当我读到劳斯文章中的这段话时，我意识到，我从来没有真正想过戈登·摩尔(Gordon Moore)作为制定摩尔定律基础的具体装置。1965年的图表没有按零件号列出这些设备，这一点对我来说从来都不重要。Moore 1965年文章中的图表只列出了设备的组件计数，并且仅以对数形式。(这有点怪，但这就是用指数数据绘制直线的方法。)

在我看来，摩尔的图表可能是半导体历史上最重要的图表，它的五个数据点所使用的设备是完全匿名的。在阅读劳斯的文章后，我突然对摩尔用来绘制这张图的5个数据点的设备产生了极大的好奇。半个多世纪以来，他们一直默默无闻。

不再。

劳斯的文章列出了摩尔图上的设备以及塞洛照片上的设备。然而，Laws的文章只提供了少许关于Sello照片中的7个设备和Moore图中使用的5个设备的信息。事实证明，这七款设备中的每一款都很重要(当然，它们都是由仙童制造的)，所以下面是对这七款设备的更深入的描述:

设备#1:Fairchild 2N697 NPN, 150mA, 60V，双极晶体管，1个组件，大约1959年。

摩尔在1965年的文章中绘制的曲线从1959年的一种单组分半导体器件开始。那是晶体管。1957年，背叛者八人组退出了位于山景城圣安东尼奥路391号的肖克利半导体实验室，沿着街道走了大约一英里，在查尔斯顿左转，成立了仙童半导体公司。他们让震惊的威廉·肖克利专门专注于制造硅晶体管，因为肖克利拒绝让他们这么做。(参见“出租:IC的发源地"和"圣安东尼奥路391号:威廉·肖克利建造(并摧毁)的房子”)。

仙童半导体公司的第一个商用半导体产品是2N696和2N697硅晶体管。这两个晶体管是相同的部件，通过电流增益测试进行了分类和分类。(2N697的电流增益是2N696的两倍，所以最好的晶体管被标记为“2N697”，其余的则被标记为“2N696”。)这两个晶体管是用台面工艺制造的第一个商用半导体器件，使用由物理学家、化学家和工程师开发的光刻和双扩散结，而不是用生长的合金结热，小滴液态锑或铟，还有一大团炼金术。

1958年，Fairchild向IBM的FSD(联邦系统部门)运送了2N697晶体管的原型。IBM FSD正在为北美航空公司不幸的XB-70女武神轰炸机设计机载计算机，它们注定要被用作磁芯内存驱动器。然而，晶体管本身并非命运多舛。远非如此。仙童将2N696和2N697商业化，1958年8月，这些晶体管的第一个广告播出。据报道，每个原型机的售价为150美元。一大批半导体制造商迅速复制了这些设备。顺便说一下，你仍然可以买到2N696和2N697晶体管。然而，他们不再需要150美元一个;它们不再是用台面工艺制作的; and you won’t be buying them from Fairchild.

2N697是摩尔图上唯一的前ic半导体器件。1959年，飞兆半导体公司通过扩展用于制造2N696和2N697晶体管的光刻概念，制造了第一个集成电路。改进后的工艺被称为平面工艺。仙童的平面工艺仍然是整个半导体行业的基石。

仙童2N697 NPN双极晶体管是第一个商业上成功的硅晶体管。它是用扩散为基础的台面工艺，而不是旧的合金工艺。请注意仙童的“飞F”标志印在包装的顶部。(图片来源:晶体管博物馆）

设备#2:Fairchild μLogic Type G RTL IC, 7个组件，大约1962年。

1960年10月1日EDN杂志上的一篇文章写道:

“高速、低功耗数字计算机逻辑构建模块正在仙童半导体公司开发中，将于明年初上市，固态微逻辑元件家族将处理数字机器的所有逻辑功能要求，不需要其他组件。”

本文列出了六种正在为µLogic家族开发的IC元素类型，包括:

• “F”元素-触发器
• “S”元素-半移寄存器
• “G”元素- 3输入NOR门
• “B”元素-缓冲区
• “H”元素-半加法器
• “C”元素-计数器适配器

这六个IC元件组成了第一个IC逻辑家族，即仙童最初的RTL(电阻-晶体管逻辑)系列。(注意，在本文中，“RTL”并不意味着“寄存器传输级别”。这是这个词最近的一种重载。)这些RTL部件后来被重新命名为Fairchild的μLogic 900，然后是9900系列。

在20世纪60年代早期，集成电路还不是一件确定的事情。EDN 1960年的文章指出:

“在导弹和太空电子设备中，电池和太阳能电池的重量和尺寸是主要问题，而不是电子设备封装的大小……

“标准模块是否实用仍然是业界争论的焦点。”

然而，电子设备的重量和尺寸对于代号为“阿波罗”的太空计划来说都是非常关键的参数。NASA要求麻省理工学院的仪器实验室开发AGC(阿波罗制导计算机)，以引导宇航员在月球上着陆并安全返回。仪器实验室意识到AGC的尺寸和重量非常有限，这意味着计算机设计师需要使用革命性的、轻量级的、小型化的电子技术来开发AGC。

1962年2月27日，麻省理工学院仪器实验室订购了100个Fairchild μLogic Type G ic，每个价格为43.50美元(1962年美元!)用于评估。几个月后，麻省理工学院仪器实验室得出结论，是的，集成电路对阿波罗制导计算机来说是一个非常好的东西，并使用了4100个集成电路来实现AGC Block I设计中的所有逻辑。到1965年，AGC计划已经购买了大约20万G型逻辑芯片，平均价格为每个20到30美元。游戏吧!

设备#3:Fairchild μLogic Type R, D-type RTL触发器，33个组件，大约在1963年或1962年底。

Sello 1967年照片中的第三个器件是Fairchild μLogic Type R，这是一种d型触发器，与Gordon Moore 1965年文章中的图有关，它呈现了一个额外的谜团。根据Sello照片中的第三个芯片，Fairchild μLogic Type R触发器有太多的片上组件，不可能成为摩尔图上的第三个器件。法律写道:

“如何解释1963年的R型出现了Log2值为5.0的异常值?它有33个部件，和1964年的设备一样复杂(摩尔图上)。在原始图中，1963年的值为4.2，相当于芯片上的18个组件。最好的候选是[μLogic] S型(半移寄存器)，具有10个晶体管和8个电阻。一种解释是，哈里没能找到这张照片用的S型模具，而是用了一个更复杂但用相同技术制造的R型模具。”

S型半移寄存器是仙童μLogic RTL家族最初的六个元素之一。R型触发器则不是。我一直在努力寻找半移寄存器的一个好的定义。在我学逻辑设计的日子里，我从来没有听说过这样的东西，这里是最好的定义我可以用谷歌找到:

“在移位寄存器中，需要两个这样的器件才能形成一个级。”

我想这就是你或我真正需要知道的一切?

实际上，通过David Laws的一点帮助和一些额外的研究，很明显，S型半移寄存器包含了主从RS触发器中作为主从锁存器所需的逻辑。一个主从触发器还需要一个逆变器或一个反转门来将时钟反转到从锁存器，所以看起来你需要三个RTL ic来构建一个主从RS触发器:两个S型半移寄存器和一个反转缓冲区(或一个离散晶体管)。这个解释很方便地引出了塞罗照片中的下一个设备。

设备#4:仙童DTL 945主从时钟RS触发器，34个组件，大约1964年。

摩尔图上的前两个ic(设备#2和#3)是RTL芯片。第四个器件是DTL(二极管-晶体管逻辑)时钟RS触发器，具有实现主从器件所需的所有逻辑。Fairchild 945(后来称为9945)时钟触发器是该公司930 DTL逻辑家族(后来更名为9930系列)的一部分。

第一代RTL集成电路相当成功，但很快就过时了，因为它们速度太慢，功耗太大。(50年来什么都没变，不是吗?)显然，RTL集成电路将很快被取代，而DTL是第一个尝试获得成功的逻辑家族。

Signetics成立于1961年，由一群变节的仙童工程师创立，当时仙童的管理层不让他们专注于集成电路(听起来很熟悉吗?)，Signetics开发了SE100 DTL逻辑家族作为其第一条标准产品线。1962年，SE100 DTL逻辑家族进入了仙童的RTL市场。这台机器是仙童的930 DTL逻辑系列，由于仙童卓越的光刻和加工技术，它提供了比Signetics的DTL部件更好的性能规格和更低的价格。结果可想而知。

仙童的930 DTL逻辑家族在逻辑市场上占据了多年的主导地位，直到TTL战争爆发。930 DTL逻辑系列取得了巨大的商业成功。仙童凭借其RTL和DTL逻辑家族成功地统治了第一代和第二代IC逻辑。

设备#5:Fairchild c μ l958十进制计数器，58个元件，大约在1965年或1964年底。

现在我们要做一些重要的积分。Fairchild的958(后来更名为9958)十年计数器出现在数码显示器的全盛时期。20世纪60年代，仪器仪表行业的每个人都渴望为他们的计数器、计时器和数字电压表提供温暖、橙色的数码辉光。在20世纪60年代，如果你想让你的设备看起来很现代，你只需要撒一点Nixie dust。

所有这些仪器都需要数字十进制计数器来驱动Nixie显示器，因此对仙童的工程师来说，很明显他们需要尽快将整个4位十进制计数器放入IC封装中。结果就是仙童CμL 958十进制计数器。(当然，“CμL”代表“计数微逻辑”。)

最后，我们有两个ic没有出现在戈登·摩尔1965年的图表中，但出现在塞洛1967年的照片中。它们是:

设备#6:仙童9300 4位通用移位寄存器，125个组件，大约1966年。

仙童的930逻辑家族成功地成为了DTL的王者，但很快，一个被称为TTL(晶体管-晶体管逻辑)的竞争对手出现在舞台上。由于一些固有的电路优势，TTL逻辑函数比等效的RTL和DTL函数更快，速度就是游戏的名字。(现在依然如此。)

为了开发能够成为业界顶级TTL狗的新逻辑家族，出现了一场激烈的竞争。Fairchild开发了9300系列(比930 DTL家族好10倍，也许?)，其中包括9300 4位通用移位寄存器IC。它有一个异步复位输入引脚。它具有使用四个并行输入引脚的并行负载功能。寄存器的四个输出位同样可用在输出引脚上。如果连接正确，它会向左或向右移动，以利用并行负载特性。这片;骰子;然后切丝。

唉，到1967年，德州仪器推出了一年的低成本塑料包装7400 TTL系列产品，取代了费尔柴尔德的9300 TTL系列产品。雪上加霜的是，德州仪器生产了费尔柴尔德最好的9300系列设计的一字不差的复制品，并在上面贴上了7400系列的零件编号。想要证据?如果您了解7400系列TTL数据簿，您可能会将9300 4位通用移位寄存器识别为TI的74195 4位并行访问移位寄存器。同样地，Fairchild的9341 ALU也被更广泛地称为TI的74181 ALU。

设备#7:Fairchild Micromatrix 4500 DTL，掩码可编程，32门，门阵列，264个组件，大约1967年。

说真的，我把最好的设备留到最后了。飞兆的4500年微矩阵是业界第一个商业上成功的掩模可编程门阵列-早在1967年就推出了!(《星际迷航》《永恒边缘的城市》(City on the Edge of Forever)一集，我在这篇文章的第一段中间接提到了这一集，它最初于1967年播出。)Micromatrix 4500门阵列-它真的是世界上第一个商业上成功的ASIC -包含了32个未使用的4输入AND/NAND门(输出逆变器可以使用适当的掩码布线省略)，您将使用两个金属掩码层连接起来。

Fairchild引入了早期的EDA软件，包括FAIRSIM逻辑模拟器和自动放置和路由程序，以帮助设计师为Micromatrix 4500门阵列布局金属互连。仙童的几个客户基于该设备开发了定制的ASIC设计。此外，仙童尝试开发一些标准设备为自己的产品目录使用4500门阵列作为主片。

大卫·劳斯给我发了一张微矩阵4500门阵列芯片的照片。如下所示。

Fairchild Micromatrix 4500 DTL门阵列(图片来源:David Laws提供)

根据劳斯对上面这张模具照片的视觉评估，他估计Fairchild Micromatrix 4500 Gate Array包含了264个组件。

如今，用纳米光刻技术制造的巨型芯片包含了数百亿个晶体管和更多各式各样的电子元件。我们只用了50年的时间，就从一个半导体芯片上的200个元件发展到数百亿个。以任何你可能喜欢使用的标准来衡量，这都是一个惊人的成就，戈登·摩尔在1965年预测了这一切，仅仅用了一点点数据——只有五个数据点——和一个巨大的直觉飞跃。

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