1965年4月，时任美国仙童半导体公司研究开发实验室主任的戈登·摩尔（Gordon E.Moore）应邀为《电子学》（Electronics Magazine）杂志创刊35周年专刊写了一篇观察评论报告《让集成电路填满更多的组件》，在文中摩尔预言“半导体芯片上集成的晶体管和电阻的集成度每3年增加4倍，而芯片的特征尺寸每3年缩小　倍”。这即是所谓的摩尔定律（Moore’s Law）。与摩尔定律相关的另外一个预见是“等比例缩小规律”，其由IBM的工程师罗伯特·登纳德（Robert Dennard）提出，该规律阐明“在MOS内部电场不变的情况下，随着其结构尺寸的缩小，其工作速度将会增加，功耗会降低，而且可以等比例地降低成本”，此即著名的“Dennard Scaling”。

一个对未来事物发展的预判被社会现实不断地证实，这个预判即可称为定律。在以集成电路为核心的信息技术的发展过程中，这两个规律所阐述的基本趋势一直延续至今，而且不断地被现实所证明，得到了“摩尔定律”的称谓。

在摩尔定律发挥效用的50多年里，计算机从神秘不可接近的庞然大物，变成了人们工作和生活都不可或缺的常用工具，信息技术由高端的实验室进入无数个普通家庭，因特网将全世界联系起来，多媒体视听设备丰富着每个人的生活。

在摩尔定律的持续作用下，以计算机为核心的信息技术正向着4个方向持续发展。

1）功能更强

2017年，我国在每年一度的计算机性能大赛上又一次拔得头筹，代表我国参赛的“神威·太湖之光”计算机的测试性能为93.015PFlops。而美国橡树岭国家实验室与劳伦斯利福摩尔国家实验室秘密打造的Summit，Sierra两台超级计算机的速度已经达到14.86和9.464 PFlops的水平。

我国在2016年启动了新一代“E级（1 000PFIops）”超级计算机的研制。这种新一代超级计算机的强大计算功能将为航天、新型材料、气候气象、环境保护等多领域的关键应用提供强有力支撑，在生命科学、材料科学、大气科学、海洋科学、地球物理、宇宙探测、经济学、社会学以及大型基因组组装、基因测序、污染治理等一系列事关国计民生的大科学、大工程中“大显身手”。

2）体积更小

计算机的体积已经从最初的ENIAC占地170 m2缩小到了微纳米级。其典型的应用便是微机电系统（Micro Electromechanical System，MEMS）。MEMS是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，芯片尺寸通常在毫米、微米，甚至纳米级，其特点是体积小、重量轻、微型化、能耗低、智能化、多功能、高集成度。比如，2018年IBM的一款“世界上最小的计算机”，它比密歇根大学2015年推出的“密歇根微尘”还要小，这种微型计算机是一种边缘设备构架和计算平台，造价不足10美分，在边长1毫米的矩形材料体中集成了约100万个晶体管，可用来完成数据的监测、分析、传递甚至执行，其装有光伏电池用于持续供电。2010年5月，美国哥伦比亚大学的科学家成功研制出一种由脱氧核糖核酸（DNA）分子构成的纳米蜘蛛机器人，它们能够跟随DNA的运行轨迹行走、移动、转向以及停止，并且它们能够自由地在二维物体的表面行走。这一进展的强大之处在于：一旦被编程，纳米蜘蛛机器人就能够自动完成指定的任务，而不需要人为地介入。比如，纳米机器人可以用于医疗事业，无害地介入人体，帮助人类有效识别并杀死癌细胞，以达到治疗癌症的目的，还可以帮助人们完成外科手术，清理动脉血管里的垃圾等。

计算机体积向微纳米级的方向发展，已经可以进入我们期望它进入的任何空间，因此广泛应用于航空航天、信息通信、生物化学、疾病控制、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域。

3）价格更低

由于高纯硅材料及其工艺的独特性，集成度越是提高，晶体管的价格越是便宜，这样也就引出了摩尔定律的经济学效益，同样的性能其价格每个周期降低2～3倍。在20世纪60年代初，一个晶体管要10美元左右，但随着晶体管体积越来越小，直到小到一根头发丝上可以放1 000个晶体管时，每个晶体管的价格只有千分之一美分。根据有关统计，按运算10万次乘法的价格算，IBM704计算机为1美元，IBM709降到20美分，而60年代中期IBM耗资50亿美元研制的IBM360系统计算机现在已变为仅仅价值3.5美分。

4）万维互联，即计算机的网络化

计算机网络一问世便得到了迅猛发展。自1969年Internet的前身——美国的ARPA网投入运行，在短短几十年的时间里，随着互联网技术的不断成熟和发展，加上计算机网络所固有的外部性特征，互联网用户和互联网资源呈“滚雪球”的态势迅速增长。图1-1、图1-2是中国互联网络信息中心所发布的第44次《中国互联网络发展状况统计报告》所披露的2019年我国网络普及、增长情况，截至2020年3月，我国网民规模已经达到9.03亿，互联网普及率则达到了64.5%。

图1-1　中国网络普及率情况

来源：CNNIC中国互联网络发展状况统计调查(www.daowen.com)

与之相呼应网络资源也相应快速增长，根据百度公司的统计，截至2019年年底，我国的网页数已经达到2 978亿个。

图1-2　中国网络应用增长态势

来源：百度在线网络技术（北京）有限公司

互联网＋营销连接消费者和供应商便形成了电子商务；互联网＋教育连接学习者和教育资源便形成了E-Learning和U-Learning；互联网＋政务连接公众和政府便形成了电子政务、电子社区；互联网＋资源连接需求者与供应者便形成了共享经济；区块链技术与实体经济联合驱动着互联网由信息互联网向价值互联网的转变……正在形成“万维互联”的格局。

但是，与任何事物的增长都必然会有发展的极限一样，计算机芯片集成度的不断提高，已经逼近其物理和技术的极限。因此，有不少学者认为摩尔定律将会失去效用。比如，早在1995年在芝加哥举行的信息技术国际研讨会上，美国科学家和工程师杰克·基尔比就表示“5纳米处理器的出现或将终结摩尔法则”；2012年，日裔美籍理论物理学家加来道雄则预言：“在10年左右的时间内，我们将看到摩尔法则崩溃”。

为了应对这一迟早将会到来的情况，各国科技界未雨绸缪，竞相开始了新一代计算机的前瞻性研究，除了研制基于新材料（如石墨烯、纳米管等）、新功能器件形成超越硅基CMOS和系统芯片，使得摩尔定律得以延续和扩展外，纳米计算机、量子计算机、分子计算机、光子计算机等方面的研发已经蓬勃展开，寻求获得颠覆性的技术突破。

在纳米计算机方面，2012年10月28日，美国IBM研究所的科学家宣称，最新研制的碳纳米管芯片符合了“摩尔定律”周期。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积只有数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。而其运算速度将是硅基芯片计算机的1.5万倍，而且纳米计算机几乎不需要耗费任何能源。

在量子计算机（Quantum Computer）方面，为加速进入量子计算机阵营，各国政府纷纷加大投入。欧盟在2016年宣布投入10亿欧元支持量子计算研究，美国仅政府的投资即达每年3.5亿美元。中国也在大力投入，目前正在筹建量子信息国家实验室，一期总投资约70亿元。在2017年，我国量子科学家潘建伟教授领衔的科技团队在已经实现的全球首次十光子纠缠操纵的基础上，利用高品质的量子点单光子源，构建了世界上首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机。通过和经典算法相互比较，该计算机比人类历史上第一台电子管计算机（ENIAC）和第一台晶体管计算机（TRADIC）的运行速度快10～100倍。标志着我国在量子计算机的研究方面站在了世界前列。

在分子计算机方面。分子计算机指利用分子计算的能力进行信息处理的计算机。分子计算机的运行靠的是分子晶体可以吸收以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。分子计算机就是尝试利用分子计算的能力进行信息的处理。

分子计算机的体积小、容量大，1立方厘米空间的DNA即可存储100万片CD的容量；分子计算机速度快、能耗低，其计算速度可以达到每秒数十亿次，而能耗仅为普通计算机的十亿分之一。

此外，由于蛋白质分子能够自我组合，使得分子计算机具有生物体的一些特征，能够发挥生物体自身的调节机能，自动修复故障等。

分子计算机的研究已经取得了可喜的进展。2000年美国威斯康星麦迪逊大学的研发团队成功地将DNA固定到一块镀金的玻璃载片上，形成了DNA芯片；2001年，以色列科学家研制成功世界上第一台DNA计算机，其输入、输出和软硬件全部由在活性有机体中存储和编码的DNA分子组成；2002年，日本的Olympus公司宣布，该公司与东京大学联合研制成功了世界上第一台商用DNA计算机。

在光子计算机方面。光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。它由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理，以光子代替电子，光运算代替电运算。光的并行、高速，天然地决定了光子计算机的并行处理能力很强，具有超高运算速度。光子计算机还具有与人脑相似的容错性，系统中某一元件损坏或出错时，并不影响最终的计算结果。光子在光介质中传输所造成的信息畸变与失真度极小，光在传输、转换时能量消耗和散发热量极低，对环境条件的要求比电子计算机低得多。

在光子计算机的研究方面，已经取得了一些突破性的进展，来自美国杜克大学的计算机电子工程师团队已经研发出了能够实现超快速开关的LED灯管，具有每秒开关900亿次的性能，是构成光子计算机的硬件基础。

以上的努力以及所形成的阶段性成果，不仅意味着摩尔定律将会继续延寿，而且表明计算设备体积越来越小，价格越来越便宜，性能越来越强大的发展趋势将不会改变。而摩尔定律效用的持续作用，将导致信息技术应用的全民普及、全领域普及、全应用普及，这是信息技术在未来发展的基础性的趋势。