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摩尔定律是指IC上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增长一倍,性能也将提高一倍。摩尔定律是由英特尔(Intel)名誉董事长戈登·摩尔(Gordon Moore)经过长期观察发现得之。
计算机第一定律——摩尔定律Moore定律1965年,戈登·摩尔(GordonMoore)准备一种有关计算机存储器进展趋势的报告。他收集了一份观察资料。在他开始绘制数据时,发现了一款惊人的趋势。每个新芯片大体上含有其前任两倍的容量,每个芯片的产生全是在前一款芯片产生后的18-24个月内。假如这个趋势继续的话,计算能力相对于时间周期将呈指数式的上升。Moore的观察资料,就是现在所谓的Moore定律,所阐述的趋势一直继承至今,且仍不相同寻常地准确。人们还发现这不光适当做对存储器芯片的描述,也精准地声明了解决机能力及其磁盘驱动器存储容量的进展。该定律变成大多数工业对于性能预测的基本。在26年的时间里,芯片上的晶体管数量增长了3200多倍,从1971年推出的第一种4004的2300个加多到奔腾II解决器的750万个。
由于高纯硅的特有性,集成度越高,晶体管的价格越便宜,这样也就引出了摩尔定律的经济学效益,在20世纪60年代初,一款晶体管要10美元左右,但随着晶体管越来越小,直小到一根头发丝上能够放1000个晶体管时,每个晶体管的价格只有千分之一美分。据关于统计,按运算10万次乘法的价格算,IBM704电脑为1美元,IBM709降到20美分,而60年代中期IBM耗资50亿研制的IBM360系统电脑已变为3.5美分。到底什么是"摩尔定律'"?归纳起来,核心有以下三种"版本":
1、集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18个月就翻一番。
2、微解决器的性能每隔18个月提升一倍,而价格下降一半。
3、用一款美元所能买到的电脑性能,每隔18个月翻两番。
以上几种说法中,以第一个说法更为普遍,第二、三两种说法涉及到价格因素,其实质是一样的。三种说法尽管各有千秋,但在一点上是共同的,即"翻番"的周期全是18个月,至于"翻一番"(或两番)的是"集成电路芯片上所集成的电路的数目",是整个"计算机的性能",还是"一款美元所能买到的性能"就见仁见智了。
什么是摩尔定律?
摩尔在1965年文章中指出,芯片中的晶体管及其电阻器的数量每年会翻番,原因是工程师能够持续缩小晶体管的体积。这就意味着,半导体的性能与容量将以指数级加多,而且这种增加趋势将继续继承下去。1975年,摩尔又修正了摩尔定律,他认为,每隔24个月,晶体管的数量将翻番。
这篇文章发表的时候,芯片上的元件大约只有60种,而现在,英特尔最近的Itanium芯片上有17亿个硅晶体管。
虽然这一定律后来变成里程碑似的东西,但这篇文章当时并不含有放在首要位置,文章所在的页码是114页。
摩尔最新说:"当时,你不会想把这种东西放入你的档案中的,我当时不含有想到它会如此的精准。"
为什么是硅?
这是一款材料科学上奇迹。硅是是一个很好的半导体(它可以导电,但另外也能够操纵的方式开展的),虽然收缩,硅的晶体结构仍旧能维持完整。
摩尔定律现在失效了吗?
不含有,虽然不少分析师与企业的官员早已放言摩尔定律将过时,但它可能仍旧发挥功能。
一些人,比如惠普实验室的 Stan Williams与Phil Kuekes认为,到2010年,晶体管的收缩将变成一款问题。因此,厂商需要找到新的替代材料,比如惠普的"交叉开关"(crossbar switches)。
同时一些人,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,硅晶体管还可以继续缩小,直到4纳米级别生产工艺出现为止,时间可能在2023年左右。到那个时候,由于操纵电流的晶体管门(transistor gate) 及其氧化栅极(gate oxide)距离将十分贴近,因此,将发生电子漂移现象(electrons drift)。假如发生这种情况,晶体管会失去可靠性,原因是晶体管会由此无法操纵电子的进出,从而无法制造出1及其0出来。
(注: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。)
假如失效会怎样?
很难讲。假如替代晶体管的材料永远找不到,摩尔定律便会失效。假如替代材料出现了,那么类似摩尔定律的规律将仍旧出现。
最好的替代材料代表什么?
天知道?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。
虽然硅有局限性,但制造商与设计师们仍旧喜欢这种材料。硅将继续出现在某些设备当中。
摩尔暗示:"我认为,硅技术仍旧是制造复杂微结构及材料的基础方法。"
谁提出了摩尔定律?
加州理工学院的教授Carver Mead也参加了摩尔定律的提出。摩尔暗示,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;从来不含有说过18个月。
摩尔定律不合适于硬盘驱动器的容量或者其它设备之上。摩尔开玩笑的说:"摩尔定律早已被应作为任何呈现指数级加多的东西上面,我很高兴因此而获得好评。"
翻番有何作用?
晶体管数量翻倍带来的好处能够总结为:更快,更小,更便宜。按照摩尔定律,芯片设计师的核心任务便是缩小晶体管的大小,然后让芯片可以容纳越多的晶体管。晶体管的增长能够让设计师为芯片增添更多的作用,比如3D显卡,从而节省成本。
晶体管的增长也可以让设计师将精力放在凭着芯片的整体性能上。由于新旧芯片的体积一一样,因此新款芯片的成本与旧款芯片一样。
同时,小的晶体管意味着电子不需要传得过远,从而提高了芯片的性能。
摩尔定律怎么影响实际商品?
摩尔定律让生产找到了提高其商品性能的途径。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,晶体管数量的增长让多作用手机得以出现,电视,7百万象素照相机,MP3 音乐播放器都可以融于小小的一只手机当中。
用途更加强劲,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游戏及其网页阅览器这样的东西。
技术难点在哪里?
将电流弄进晶体管十分困难,晶体管会发热,这是一款问题。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。
硅的出路在何方?
趋势是将硅应用到新地方。将来几年,各类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)能够让医生用笔记本电脑获知很多病人的身体状况。
经济方面的影响有哪些?
仅有几个行业会受此影响。汽车制造商们早已暗示将要改造汽车内部的茶托(cup holders )和汽车的外形,因为汽车的引擎不会朝令夕改。
摩尔定律对于经济健康吗?
是也不是。专门衡量摩尔定律的一款规则叫做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,绝好多的芯片公司现在并不有着组装工厂。
华尔街的分析师,将来学家,甚至芯片企业的官员一直在暗示,高昂的成本将终结或者减弱摩尔定律的使用。
摩尔还做了哪些别的预测?
摩尔还是预测过家用电脑和电子表。 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)。
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,现在的晶圆直径早已突破了12英寸。