戈登·摩爾在 1965 年提出摩爾定律時，其內容為半導體芯片上集成的晶體管數量將每年增加一倍，1975 年，他又根據當時的實際情況對摩爾定律進行了修正，把"每年增加一倍"改為了"每 18 到 24 個月增加一倍"。 摩爾定律發展至今已有 50 多年，在這 50 多年間，不斷有人唱衰，甚至有人提出“摩爾定律已死”的觀點。 今天，我們從兩個方面看待摩爾定律終結的原因，一個是從微觀角度(micro-view)，一個是從宏觀角度(macro-view)，我們可以稱之為：摩爾定律面臨的兩個問題。
微 觀 問 題 Micro-Problem
雖然芯片製造商已經使用了各種手段來跟上摩爾定律的步伐，但還是無法避免摩爾定律的加倍效應已經開始放緩的事實，不斷地縮小芯片的尺寸總會有物理極限：現在最新的製程工藝特徵尺寸僅為 7nm，而硅原子的半徑為 0.117nm，也就是說，在 7nm 工藝的芯片中的晶體管的特徵尺寸僅為不到 30 個硅原子組成（因為原子空間利用率的原因，實際上要更少，詳見後面分析），隨著特徵尺寸的進一步減少，其數量還會進一步減少。
在同等面積大小的區域裡，隨著集成越來越多的晶體管電路，漏電流增加、散熱問題大、時鐘頻率增長減慢等問題難以解決。
1）特徵尺寸是晶體管結構中的最小尺寸嗎？
我們先來看晶體管的微觀結構，下圖是目前最主流的 FinFET（FinField-EffectTransisto）晶體管的結構。特徵尺寸指的是柵極的寬度，目前主流芯片最小為 7nm。
對比下面的顯微圖像，我們也可以判斷出其特徵尺寸為下圖紅線所標識。
從上面兩張圖我們可以看出，其實特徵尺寸並非是晶體管裡的最小尺寸，Fin (鰭) 的寬度至少是小於特徵尺寸的，因此特徵尺寸為 7nm 的晶體管中，所需要製造的最小尺寸其實是小於 7nm 的。
而到了下一代堆疊納米片的晶體管結構，這種趨勢則更加明顯，在特徵尺寸（柵極寬度）為 3nm 的晶體管中，其最小需要製造的尺寸（例如納米片的厚度）則要遠遠小於 3 納米，甚至要小於 1nm。
小於 1nm 會遇到什麼問題呢？我們需要了解一下硅的原子結構。
2）硅原子的物理結構
下面，我們來了解一下硅原子的物理結構，下圖為硅的晶胞結構：
晶胞是反映晶體對稱性質的最小單元，在由硅原子構成的一個面心立方體（8 個頂點+6 個面各有一個硅原子）的晶胞內，另外還有四個硅原子，分別位於四個空間對角線的 1／4 處，平均到每一個硅晶胞中的原子數為 8 (8*1/8+6*1/2+4=8) 。硅的晶胞邊長為 a（晶格常數），在 300K 時，a=5.4305Å （0.543nm），1nm 相當於不到 2a，也就是說在 1nm 的寬度內兩個晶胞都安放不下。硅原子空間利用率：硅原子體積 / 單位原子在晶胞中佔有的體積，硅晶體空間利用率約為 34%，即晶胞空間內 1/3 為原子，2/3 為空隙，如下圖所示。
也就是說，我們看到的硅已經不再是平滑連續的，而是由離散的原子團組成的。
此時，在連續系統中適用的定律和法則很多都會失效，晶體管也就不能正常工作了。因此，從微觀角度看，摩爾定律是不可持續的。
宏 觀 問 題 Macro-Problem
摩爾定律，無論是 1965 年提出時的：“半導體芯片上集成的晶體管數量將每年增加一倍”，還是 1975 年修正的：“每 18 到 24 個月增加一倍”，從數學意義上來看，其曲線都是指數增長的。假設某一個時間點上，芯片上集成的晶體管數量為 X，則 18 月後為 2X，2 個 18 月後為 4X，n 個 18 月後為 2^n*X，那麼從現在開始，我們就可以估算人類生產的晶體管數量：Y=X(1+2+4+8...+2^n)，給公式兩邊同時乘以(2-1)則可得 Y=X(2^(n+1)-1)。具體請參看：地球上的硅能生產多少隻晶體管？從公式 1+2+4+8...+2^n=2^(n+1)-1 我們可以看出，無論以前生產的數量有多少，到了下一個週期，一個週期內生產（消耗）數量將為以前所有周期生產的數量的總和還要多 1。
從另外一個角度，只要晶體管數量的增長繼續遵循指數曲線，那麼，未來的每一代人回過頭來看時，過去的時代都會是幾乎沒有進步的時代。這其實就是一個悖論。
（圖片來源於“指數發展曲線”的真正意義）
宇宙中的原子數量才有 10^80 個，如果晶體管的數量按照指數曲線增長，僅僅需要一個半世紀（150 多年），宇宙中的原子都要消耗殆盡了，這顯然是不可能的！（需要讀者注意的是，本文在估算的時候，做了一些前提假設，實際的數值會和前提條件的變化有關，但不會發生數量級上的變化）
寫到這裡，我們可以得出一個結論：從物理學的意義上來講，指數曲線基本上都是不可持續的。因此，從宏觀角度看，摩爾定律也是不可持續的。
我又想起了一個故事："甲問乙，你覺得一張報紙能對摺 40 次嗎？乙說，我覺得可以啊，說完就找到一張最大的報紙摺疊起來 ...... "最後的結果如何呢？
這實際是一項不可能完成的任務，因為一張報紙對摺 40 次的厚度超過了 11 萬公里，遠超過繞地球兩圈半了！
一張報紙只要對摺 27 次，其厚度就會超過珠穆朗瑪峰的高度，對摺 36 次，就超越了中國最北端到最南端的距離，對摺 42 次，就超過了地球到月球的距離!
指數曲線的增長就是如此可怕，越往後，越可怕！前面所有的增長相對於後面的增長來說幾乎都可以忽略不記！
既然從微觀和宏觀上來看，摩爾定律都是不可持續的，那什麼定律能夠代替摩爾定律呢？作者認為最有可能的就是：功能密度定律，請參看原創文章：摩爾定律 vs 功能密度定律
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