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摩尔定律

[日期:2015-10-30] 来源:  作者: [字体: ]

摩尔定律

      摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登•摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,而价格下降一半;或者说,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18个月翻两番。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

     1965年4月19日《电子学》杂志第114页发表了一篇仙童公司工程师摩尔撰写的题为“让集成电路填满更多的元件”的文章,文中预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番。

 

     1975年,摩尔在IEEE的一次学术年会上提交了一篇论文,根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正,把“每年翻一番”改为“每两年翻一番”,而现在普遍流行的说法是“每18个月翻一番”。但1997年9月摩尔在接受一次采访时声明他从来没有说过“每18个月翻一番”。

      加州理工学院的教授Carver Mead也参与了摩尔定律的提出。摩尔表示,20年来,他对人们称他为摩尔定律创始人的做法受之有愧。英特尔的前官员David House曾经推断说,晶体管的数量每18个月翻番。实际上,芯片的性能每隔18个月翻番一次。摩尔强调说,他从来没有说过18个月。

     摩尔定律不适合于硬盘驱动器的容量或者其它设备之上。摩尔开玩笑的说:“摩尔定律已经被应用于任何呈现指数级增长的东西上面,我很高兴因此而获得好评。”

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选择硅的原因

这是一个材料科学上奇迹。硅是是一种很好的半导体(它能够导电,但同时也可以控制的方式进行的),尽管收缩,硅的晶体结构仍然能保持完整。

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摩尔定律现在失效了吗?

      尽管很多分析师与企业的官员已经放言摩尔定律将过时,但它可能仍然发挥作用。

      一些人,比如惠普实验室的Stan Williams与Phil Kuekes认为,到2010年,晶体管的收缩将成为一个问题。因此,厂商需要找到新的替代材料,比如惠普的"纵横制交换"(crossbar switches)。

       另外一些人,比如英特尔的科技战略部主任Paolo Gargini则宣称,到2015年,制造商们才开始转向混合芯片(hybrid Chips),比如结合了传统晶体管元素与新出现材料,比如纳米线的芯片。到 2020年,新型芯片才会完全投入使用。

     从理论的角度讲,硅晶体管还能够继续缩小,直到4纳米级别生产工艺出现为止,纳米是衡量芯片的体积单位。一纳米是一米的十亿分之一。目前的芯片一般使用90纳米工艺制造。预计时间可能在2023年左右。到那个时候,由于控制电流的晶体管栅极(transistor gate)以及氧化栅极(gate oxide)距离将非常贴近,因此,将发生电子漂移现象(eleCTRons drift)。如果发生这种情况,晶体管会失去可靠性,原因是晶体管会由此无法控制电子的进出,从而无法制造出1和0出来。

      如果替代晶体管的材料永远找不到,摩尔定律便会失效。如果替代材料出现了,那么类似摩尔定律的规律将仍然出现。

现在,科学家们都在寻找最好的替代材料,碳纳米管,硅纳米线晶体管,分子开关(molecular crossbars),相态变化材料( phase change materials),自旋电子(sPINtronICs)目前都处于试验阶段。

     尽管硅有局限性,但制造商与设计师们仍然喜欢这种材料。硅将继续出现在某些设备当中。摩尔表示:“我认为,硅技术仍然是制造复杂微结构及材料的基本方法。”

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翻番的作用

      晶体管数量翻倍带来的好处可以总结为:更快、更小、更便宜。根据摩尔定律,芯片设计师的主要任务便是缩小晶体管的大小,然后让芯片能够容纳越多的晶体管。晶体管的增加可以让设计师为芯片添加更多的功能,比如3D显卡,从而节约成本。

      晶体管的增加也能够让设计师将精力放在依靠芯片的总体性能上。由于新旧芯片的体积一样,因此新款芯片的成本与旧款芯片一样。另外,小的晶体管意味着电子不需要传得过远,从而提升了芯片的性能。

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摩尔定律的影响

      摩尔定律让生产找到了提升其产品性能的途径。18年前,"华尔街"这部电影里面的麦克尔道格拉斯拿的手机象一块砖,而现在,晶体管数量的增加让多功能手机得以出现,电视,7百万象素照相机,MP3音乐播放器都能够融于小小的一只手机当中。功能更加强大,价格更加便宜的芯片让软件开发商们得以开发出既时通讯,3D游戏以及网页浏览器这样的东西。将电流弄进晶体管相当困难,晶体管会发热,这是一个问题。一些晶体管结构,譬如氧化栅极,仅有几个原子那么薄,因此很容易漏电。

      未来几年,硅将应用到新地方。各种才起步的公司希望在墙壁上,家具中甚至野生动物身上嵌入传感器。微流体芯片(MicrofluiDICs Chip)可以让医生用笔记本电脑获知许多病人的身体状况。在经济方面仅有几个行业会受此影响。汽车制造商们已经表示将会改造汽车内部的茶托(cup holders )以及汽车的外形,因为汽车的引擎不会朝令夕改。

      专门衡量摩尔定律的一个规则叫做Rock定律。Rock定律说,芯片工厂的组装成本每四年会翻番。现在,新的组装工厂会耗资数十亿美元。出于成本原因,绝大多数的芯片公司现在并不拥有组装工厂。华尔街的分析师,未来学家,甚至芯片企业的官员一直在表示,高昂的成本将终结或者减弱摩尔定律的使用。

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摩尔的预测

      摩尔在文章中还预见到:电脑不仅可用来保存数据和作为强大的计算机器,一旦处理器晶片的功能象大型机一样强劲,价格又非常之低时,电脑将会应用于社会的每个领域,如家庭电脑、手持电话等都会问世。信息的集中处理将为分散处理所取代,未来人们将生活在电脑无所不在的社会里.

      摩尔预见了计算机时代的美好未来.科学需要预见,产业需要眼光.这两者摩尔都具备了,所以他参与创办了Intel公司,身体力行地去验证了自己的预言,并使Intel公司在数年间就发展成为领导电脑工业潮流的全球性企业。

     摩尔还预测过家用电脑以及电子表。上个世纪70年代初,在电子学杂志的,摩尔还预测了"奥弗辛斯基效应应用电子标准内存"(Ovonics Unified Memory)。但并不是摩尔说的每样东西都变为了现实。他曾经预测说,现在的晶圆(wafers)直径会达到56英寸,现在的晶圆直径已经突破了12英寸。

      在过去的几十年里,计算机特别是微型计算机,它的微处理器以及许多新技术的发展速度均遵循摩尔定律的法则。摩尔定律现在已经被“移植”到许多新领域,如煤体传播领域。Internet的发展也被人们认为遵循摩尔定律的规律。


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