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摩尔定律,什么是摩尔定律

日期:来源:摩尔定律收集编辑:自己开店创业做什么

什么是摩尔定律

到底什么是"摩尔定律'"?归纳起来,主要有以下三种"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、微处理器的性能每隔18个月提高一倍,而价格下降一倍。

3、用一个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,以第一种说法最为普遍,第二、三两种说法涉及到价格因素,其实质是一样的。三种说法虽然各有千秋,但在一点上是共同的,即"翻番"的周期都是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"一个美元所能买到的性能"就见仁见智了。

"摩尔定律"的由来:

"摩尔定律"的"始作涌者"是戈顿·摩尔,大名鼎鼎的芯片制造厂商Intel公司的创始人之一。20世纪50年代末至用年代初半导体制造工业的高速发展,导致了"摩尔定律"的出台。

早在1959年,美国著名半导体厂商仙童公司首先推出了平面型晶体管,紧接着于1961年又推出了平面型集成电路。这种平面型制造工艺是在研磨得很平的硅片上,采用一种所谓"光刻"技术来形成半导体电路的元器件,如二极管、三极管、电阻和电容等。只要"光刻"的精度不断提高,元器件的密度也会相应提高,从而具有极大的发展潜力。因此平面工艺被认为是"整个半导体工业 键",也是摩尔定律问世的技术基础。

1965年4月19日,时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔应邀为《电子学》杂志35周年专刊写了一篇观察评论报告,题目是:"让集成电路填满更多的元件"。摩尔应这家杂志的要求对未来十年间半导体元件工业的发展趋势作出预言。据他推算,到1975年,在面积仅为四分之一平方英寸的单块硅芯片上,将有可能密集65000个元件。他是根据器件的复杂性(电路密度提高而价格降低)和时间之间的线性关系作出这一推断的,他的原话是这样说的:"最低元件价格下的理杂性每年大约增加一倍。可以确信,短期内这一增长率会继续保持。即便不是有所加快的话。而在更长时期内的增长率应是略有波动,尽管役有充分的理由来证明,这一增长率至少在未来十年内几乎维持为一个常数。"这就是后来被人称为"摩尔定律"的最初原型。

"摩尔定律"的修正

1975年;摩尔在国际电信联盟IEEE的学术年会上提交了一篇论文,根据当时的实际情况,对"密度每年回一番"的增长率进行了重新审定和修正。按照摩尔本人1997年9月接受(科学的美国人)一名编辑采访时的说法,他当年是把"每年翻一番"改为"每两年国一番",并声明他从来没有说过"每18个月翻一番"。

然而,据网上有的媒体透露,就在摩尔本人的论文发表后不久,有人将其预言修改成"半导体集成电路的密度或容量每18个月翻一番,或每三年增长4倍",有人甚至列出了如下的数学公式:(每芯片的电路增长倍数)=2(年份-1975)/1.5。这一说法后来成为许多人的"共识",流传至今。摩尔本人的声音,无论是最初的"每一年图一番"还是后来修正的"每两年翻一番"反而被淹没了,如今已鲜有人知。

历史竟和人们开了个不大不小的玩笑:原来目前广为流传的"摩尔定律"并非摩尔本人的说法!

"摩尔定律"的验证

摩尔定律到底准不准?让我们先来看几个具体的数据。1975年,在一种新出现的电荷前荷器件存储器芯片中,的的确确含有将近65000个元件,与十年前摩尔的预言的确惊人地一致!另据Intel公司公布的统计结果,单个芯片上的晶体管数目,从1971年4004处理器上的2300个,增长到1997年Pentium II处理器上的7.5百万个,26年内增加了3200倍。我们不妨对此进行一个简单的验证:如果按摩尔本人"每两年翻一番"的预测,26年中应包括13个翻番周期,每经过一个周期,芯片上集成的元件数应提高2n倍(0≤n≤12),因此到第13个周期即26年后元件数应提高了212=4096倍,作为一种发展趋势的预测,这与实际的增长倍数3200倍可以算是相当接近了。如果以其他人所说的18个月为翻番周期,则二者相去甚远。可见从长远来看,还是摩尔本人的说法更加接近实际。

也有人从个人计算机(即PC)的三大要素--微处理器芯片、半导体存储器和系统软件来考察摩尔定律的正确性。微处理器方面,从1979年的8086和8088,到1982年的80286,1985年的80386,1989年的80486,1993年的Pentium,1996年的PentiumPro,1997年的PentiumII,功能越来越强,价格越来越低,每一次更新换代都是摩尔定律的直接结果。与此同时PC机的内存储器容量由最早的480k扩大到8M,16M,与摩尔定律更为吻合。系统软件方面,早期的计算机由于存储容量的限制,系统软件的规模和功能受到很大限制,随着内存容量按照摩尔定律的速度呈指数增长,系统软件不再局限于狭小的空间,其所包含的程序代码的行数也剧增:Basic的源代码在1975年只有4,000行,20年后发展到大约50万行。微软的文字处理软件Word,1982年的第一版含有27,000行代码,20年后增加到大约200万行。有人将其发展速度绘制一条曲线后发现,软件的规模和复杂性的增长速度甚至超 过了摩尔定律。系统软件的发展反过来又提高了对处理器和存储芯片的需求,从而刺激了集成电路的更快发展。

这里需要特别指出的是,摩尔定律并非数学、物理定律,而是对发展趋势的一种分析预测,因此,无论是它的文字表述还是定量计算,都应当容许一定的宽裕度。从这个意义上看,摩尔的预言实在是相当准确而又难能可贵的了,所以才会得到业界人士的公认,并产生巨大的反响。

"摩尔定律"的变种

摩尔定律的响亮名声,令许多人竞相仿效它的表达方式,从而派生、繁衍出多种版本的"摩尔定律",其中如:

摩尔第二定律:摩尔定律提出30年来,集成电路芯片的性能的确得到了大幅度的提高;但另一方面,Intel高层人士开始注意到芯片生产厂的成本也在相应提高。1995年,Intel董事会主席罗伯特·诺伊斯预见到摩尔定律将受到经济因素的制约。同年,摩尔在《经济学家》杂志上撰文写道:"现在令我感到最为担心的是成本的增加,…这是另一条指数曲线"。他的这一说法被人称为摩尔第二定律。

新摩尔定律:近年来,国内IT专业媒体上又出现了"新摩尔定律" 的提法,则指的是我国Internet联网主机数和上网用户人数的递增速度,大约每半年就翻一番!而且专家们预言,这一趋势在未来若干年内仍将保持下去。

"摩尔定律"的终结

摩尔定律问世至今已近40年了。人们不无惊奇地看到半导体芯片制造工艺水平以一种令人目眩的速度提高。目前,Intel的微处理器芯片Pentium 4的主频已高达2G(即1 2000M),2011年则要推出含有10亿个晶体管、每秒可执行1千亿条指令的芯片。人们不禁要问:这种令人难以置信的发展速度会无止境地持续下去吗?

不需要复杂的逻辑推理就可以知道:芯片上元件的几何尺寸总不可能无限制地缩小下去,这就意味着,总有一天,芯片单位面积上可集成的元件数量会达到极限。问题只是这一极限是多少,以及何时达到这一极限。业界已有专家预计,芯片性能的增长速度将在今后几年趋缓。一般认为,摩尔定律能再适用10年左右。其制约的因素一是技术,二是经济。

从技术的角度看,随着硅片上线路密度的增加,其复杂性和差错率也将呈指数增长,同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。一旦芯片上线条的宽度达到纳米(10-9米)数量级时,相当于只有几个分子的大小,这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化,致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作,摩尔定律也就要走到它的尽头了。

从经济的角度看,正如上述摩尔第二定律所述,目前是20-30亿美元建一座芯片厂,线条尺寸缩小到0.1微米时将猛增至100亿美元,比一座核电站投资还大。由于花不起这笔钱,迫使越来越多的公司退出了芯片行业。看来摩尔定律要再维持十年的寿命,也决非易事。

然而,也有人从不同的角度来看问题。美国一家名叫CyberCash公司的总裁兼CEO丹·林启说,"摩尔定律是关于人类创造力的定律,而不是物理学定律"。持类似观点的人也认为,摩尔定律实际上是关于人类信念的定律,当人们相信某件事情一定能做到时,就会努力去实现它。摩尔当初提出他的观察报告时,他实际上是给了人们一种信念,使大家相信他预言的发展趋势一定会持续。

摩尔定律的详细解释

什么是摩尔定律?

摩尔在1965年文章中指出,芯片中的晶体管和电阻器的数量每年会翻番,原因是工程师可以不断缩小晶体管的体积。这就意味着,半导体的性能与容量将以指数级增长,并且这种增长趋势将继续延续下去。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,英特尔最新的Itanium芯片上有17亿个硅晶体管。

尽管这一定律后来成为里程碑似的东西,但这篇文章当时并没有放在首要位置,文章所在的页码是114页。

摩尔最近说:"当时,你不会想把这种东西放入你的档案中的,我当时没有想到它会如此的精确。"

为什么是硅?

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。

摩尔定律现在失效了吗?

没有,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"交叉开关"(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,时间可能在2023年左右。到那个时候,由于控制电流的晶体管门(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。

(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。)

如果失效会怎样?

很难讲。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。

最好的替代材料是什么?

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。

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。"

谁提出了摩尔定律?

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;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。"

翻番有何用途?

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。

摩尔定律如何影响实际产品?

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。

技术难点在哪里?

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。

硅的出路在何方?

趋势是将硅应用到新地方。未来几年,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。

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。

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。

摩尔还做了哪些别的预测?

摩尔还是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)。

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。

参考资料: http://huishushudema.blogchina.com/

什么是摩尔定律,该定律是否永远生效?

摩尔定律:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

该定律不会永远生效,因为技术进步不是按一个速度进行,有快有慢。

摩尔定律是什么

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:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

这种趋势已经持续了超过半个世纪,摩尔定律仍应该被认为是观测或推测,而不是一个物理或自然法。预计定律将持续到至少2015年或2020年。然而,2010年国际半导体技术发展路线图的更新增长已经放缓在2013年年底,之后的时间里晶体管数量密度预计只会每三年翻一番。

1965年4月19日,《电子学》杂志(Electronics Magazine)第114页发表了摩尔(时任仙童半导体公司工程师)撰写的文章〈让集成电路填满更多的组件〉,文中预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。

扩展资料:

摩尔定律的演化:

1、摩尔第二定律:摩尔定律提出30年来,集成电路芯片的性能的确得到了大幅度的提高;但另一方面,Intel高层人士开始注意到芯片生产厂的成本也在相应提高。

1995年,Intel董事会主席罗伯特·诺伊斯预见到摩尔定律将受到经济因素的制约。同年,摩尔在《经济学家》杂志上撰文写道:“令我感到最为担心的是成本的增加,…这是另一条指数曲线”。他的这一说法被人称为摩尔第二定律。

2、新摩尔定律:中国IT专业媒体上出现了“新摩尔定律”的提法,指的是中国Internet联网主机数和上网用户人数的递增速度,大约每半年就翻一番。而且专家们预言,这一趋势在未来若干年内仍将保持下去。

参考资料来源:百度百科-摩尔定律

摩尔定律的含义是什么?

随着科技的发展,商品性能会变得越来越好,而价格却变得越来越便宜。这正是科技的飞速发展给人们带来的实惠。   

摩尔定律是指IC上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。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)准备一个关于计算机存储器发展趋势的报告。他整理了一份观察资料。在他开始绘制数据时,发现了一个惊人的趋势。每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量,每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18-24个月内。如果这个趋势继续的话,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,所阐述的趋势一直延续至今,且仍不同寻常地准确。人们还发现这不光适用于对存储器芯片的描述,也精确地说明了处理机能力和磁盘驱动器存储容量的发展。该定律成为许多工业对于性能预测的基础。在26年的时间里,芯片上的晶体管数量增加了3200多倍,从1971年推出的第一款4004的2300个增加到奔腾II处理器的750万个。

摩尔定律对计算机硬件发展的影响?

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: 当 价格不变时,积体电路(IC)上可容纳的电晶体数目,约每隔24个月(1975年摩尔将24个月更改为18个月)便会增加一倍,性能也将提升一倍;或者说,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18个月翻两倍以这一定律揭示了信息技术进步的速度。

intel现在的roadmap上面写的是到2021年进入6nm左右,到那个时候Si MOS晶体管就不能再缩小了,那单位面积内晶体管的数目就不再增长了,摩尔定律就失效了。

但是人们目前在努力,让摩尔定律继续延续下去,所谓的“more than moore"。比如3D IC技术,将几块芯片叠在一起,这样,单位“面积”上的晶体管还可以增长;Si Photonics技术,在硅衬底上集成光学元件,利用光来传递信号,这是因为现在CPU设计的一大瓶颈在于如何在距离非常远(在芯片内,5mm可以视为非常远了)的两点之间传递信号,特别是多核处理器;这些技术都还是基于硅的。我想即使摩尔定律不再,CMOS也还是会存在很长的时间的,毕竟从器件,到电路,到计算机架构,到软件,还有很多事情可以做的。

接下来就是开发新的材料,新的器件吧,像是基于碳纳米管的晶体管,基于石墨烯的晶体管,等等。

再接下来就期待完全新的计算机结构吧,像是量子计算机。

摩尔定律真的失效了吗

楼上的这种回答是错误的,还被确认为答案也是醉了,在找到新材料之前,5nm将是现有硅材料极限,再往下量子隧穿效应将会很难解决,5nm就是几个原子的间距,这不是现在的理论,是几十年前刚提出就经过计算的。从intel的10nm难产就能看出来(等同台积电7nm),根据摩尔定律,10nm(intel的最标准)应该16年就量产了,可是现在等同10nm的台积电7nm才开始量产,现在都在搞量子计算机了,民用以后可能会走上3d堆叠的道路,那些吹没有失效的活在几年前,摩尔定律在过去半个世纪确实准确,但是不可能永远有效,另外摩尔现在还在世,可以搜搜他对这个定律的看法,如果我没记错,他在15年就说过还有5-10年摩尔定律就彻底失效了。

摩尔定律早已失效,计算未来属于GPU,摩尔定律为什么失效

老黄:摩尔定律早已失效,计算未来属于GPU!摩尔定律失效的原因

2017-09-27

今年的NVIDIA GTC (GPU TechnologyConference) China大会今早在北京召开了,作为每年最重要的GPU开发者盛会,老黄-黄仁勋自然是总要给我们带来一些期待。虽然演讲的主题依旧是AI技术的发展,但是开场不到五分钟老黄就一语惊人:摩尔定律已经终结,设计人员无法再创造出可以实现更高指令级并行性的CPU架构,晶体管数每年增长50%,但CPU的性能每年仅增长10%。瞬间打了此前Intel的老脸。

老黄此番必然是针对之前的Intel发布会,相信前两天看过我们微信推送的同学们都知道,Intel可是刚在“精尖制造日”上展示了10nm晶圆,对未来技术的展望已经到了5nm制程,而且还不忘了强调“摩尔定律不会失效”。

但是,老黄也不是毫无依据,在今年五月的GTC上,NVIDIA就发布了Tesla V100计算卡,单卡可提供120 TFLOPS的Tensor性能,而在每个SXM2格式上由8块Telsa V100组成,提供960 TFLOPS Tensor计算性能,利用到NVIDIA NVLink高速互联技术建立混合型立体网格架构。因此,他也在这次的演讲中强调,用这样的一台服务器就可以替换掉160台双路CPU的服务器或者4个机架,每台V100服务器相比同等性能的CPU服务器可节省约50万美元。

虽然老黄此次的言论看起来是针对Intel的,但实际上是老黄对于CPU阵营所有厂商的炮轰,CPU的计算能力发展到今天,进步的速度逐步放慢是必然的,此时GPU强大的并行计算能力就逐渐显现出来了,老黄也表示如今NVIDIA的GPU发展可以弥补CPU的不足,加强高强度计算负载,是面向AI等未来应用场景最理想的方案。

在会议中,老黄还先后宣布了阿里巴巴、百度和腾讯已经在云服务中用上了新架构的Volta GPU,华为、浪潮、联想等服务器厂商也部署了基于HGX的GPU服务器,将来NV也会和这些企业一起合作,加速科技的发展。

虽然NVIDIA和Intel总是相爱相杀,但我们当然是希望看到这种碰撞能带来技术的共同进步。尤其考虑到目前的计算机无论是性能还是制造工艺,都已经来到了一个瓶颈期,各大厂商如果能少一些牙膏,多一点干货,想方设法探寻新的出路,对于整个科技行业都是很有帮助的。

摩尔定律还能走多远

作者:硅谷王川,感谢王老师授权转载

  一、摩尔定律的传统定义是: 半导体芯片上的晶体管密度,平均每 18-24个月翻一番.

  它最初于1965年四月被芯片公司英特尔的创始人 戈登*摩尔 (Gordon Moore) 在一篇名叫 "把更多零件塞到集成电路里" (Cramming more components into Integrated Circuit) 的论文中提出.

  2013 年八月,曾就职于英特尔任总设计师的 Bob Colwell 在芝加哥的一个行业会议上宣称: 芯片行业的摩尔定律要终结了.

  "从计划的时段来看,我认为 2020年可能是摩尔定律最早的终结时间. 你也许可以说服我拖到 2022年, 但不管它 (栅长, 晶体栅极的最小线宽)是到 7 纳米, 或者 5 纳米,这 (摩尔定律的终结) 是一件大事. " ( 普通人的头发直径大约 75000 纳米)

  Colwell, 不是第一个, 也不是最后一个,预测摩尔定律即将终结的人.

  摩尔本人, 曾在1995年预测, 摩尔定律将于 2005年终结.

  2015年, 摩尔本人, 再次预测, 摩尔定律将于 2025年终结.

  最近的关于摩尔定律终结的各种预测, 最主要的理由,是到2025年之前,如果栅长缩小到只有 3纳米,其长度只相当于十个原子的大小. 在这个尺度,电子的行为方式将进入量子力学测不准原理的领域,晶体管可靠性将完全无法保证. 另外在这个尺度,晶体管的散热和芯片的生产成本控制,看起来也是无法逾越的技术挑战.

  摩尔定律真的会终结吗?

  如果会,是不是意味着科技发展将停滞不前,人类一起在地球上混吃等死?

  如果不会,它对未来人类文明的进步,又意味着什么?

二、在展望未来之前,非常有必要回顾一下摩尔定律过去五十年的演变.

  摩尔最初在1965年论文中提出的晶体管密度的概念,不是芯片上最多可以安放多少晶体管,而是从生产成本角度看,晶体管数目的最优值.

  生产芯片时,增加晶体管数目一般会降低晶体管的单位成本.但是数目超过一个临界点,芯片生产出现瑕疵的几率增加,开始抵消密度增加的好处.集成电路的设计和生产,最终都是要寻求一个最优点.

  摩尔在 1965年的预测, 是十年内,晶体管的密度,每年都会翻番.到1975年,一个芯片上的晶体管数目,将从 1965年的 64个增加到 1975年的65000 个.

  后来英特尔在1975年生产的一个内存芯片 (面积为四分之一平方英寸, 折合约 161 平方毫米) 的晶体管数目达到 32000 个, 和摩尔的最初预测非常接近.

  1975年摩尔在一篇论文中总结了前十年芯片密度增加的主要原因:

  1.晶体管小型化

  2.芯片面积增加

  3. 新的设计技巧提高空间的利用率.

  但是空间利用率的提高终归有限,所以摩尔在1975年修正了他的预测,把晶体管密度的增速,从每年翻番变成每两年翻一番.

  以内存芯片为例, 2000 年的 DRAM, 204 平方毫米的面积上有 256,000, 000 个晶体管. 和 1975年相比, 晶体管密度 25年增加了 6300 倍. (如果按照摩尔定律两年翻一番的速度, 25年是增加 5800 倍左右, 基本上比较接近)

  相应芯片的存储容量则从 0.001 Mb 增加到 256 Mb, 扩大了二十五万倍.

  传统工程设计上, 往往需要权衡多种因素的利弊. 但在相当长一段时间内, 晶体管小型化在实践上不仅增加密度,而且使晶体管速度更快,能耗更低,不需要担心其它因素的限制.

  平均每两年换一代的芯片生产技术,栅长缩小30% (x 0.7) ,相应的晶体管密度翻番,晶体管之间的延迟缩短30%, 导致相应的时钟频率增加40%,晶体管的电压减少30%, 单位能耗则减少50%. 由于晶体管整体数目翻番,所以整体能耗不变,但电路整体快了 40%.

  但是到了本世纪初,晶体管的小型化遇到了瓶颈, 当栅长低于100纳米以后,晶体管漏电的问题变得严重,成了一个不可忽视的问题.

  三、晶体管本质, 就是用"开"和"关"的状态,表示二进制里的 1 和 0.

  集成电路里的所谓场效应管 (Field-Effect Transistor), 主要是三个部分: 源极 (Source), 栅极 (Gate) ,漏极 (Drain). 栅极本质上是一个电容, 对其施加电压时,栅极下面的沟道 (Channel) 联通源极和漏极,晶体管开启,代表"1"的状态. 电压取消时,电流降为零,晶体管关闭, 代表"0"的状态.

人们通常说的 CPU 的时钟频率, 就是晶体管开关的速度. 1 Ghz 就是 1秒钟内可以开关十亿次.

  为什么人类的计算革命,选择了晶体管?

  因为晶体管的持续小型化,使得单位生产成本的计算能力, 不断指数型的迅速增长.

  与之相比,古老的算盘,算珠拨弄的速度 (类似晶体管开关的速度),和数据的容量,两千多年来没有实质的提高.

  四、随着晶体管不断小型化,各种漏电问题成为摩尔定律发展的重大障碍.漏电意味着能量消耗的大大增加, 芯片过热甚至失效.

  一类比较典型的漏电是所谓的 "栅氧化层泄露" (Gate Oxide Leakage).

  传统的场效应管的栅极 (Gate) 底下是一层二氧化硅 (Silicon Oxide) 的材料, 其厚度随着晶体管小型化也相应减少 (否则会影响栅极的电容和晶体管的性能). 当栅极长度缩减到 45 纳米量级时, 二氧化硅的有效厚度只有一纳米左右, 由于量子隧穿的效应,会导致栅极的严重漏电现象.

 最终英特尔经过千万次实验后推出的解决方案, 是使用一种 "高介电常数" (high dielectric) 的材料, 以金属铪(Hafnium) 氧化物为基础的材料,取代二氧化硅, 其物理厚度没有减小, 但不会影响栅极的电容量.

  2007年英特尔推出的 45纳米的芯片,栅极漏电比上一代技术减少了90%以上.

  五、另一类漏电,来自所谓的"短沟道效应" (Short Channel Effect)的问题.简言之,就是晶体管栅极长度不断缩小,晶体管导电的阈值电压不断下降,零电压时的还有微弱的电流经过.

  这个问题的本质, 是在栅极很短的时候,漏极本身也成了一个电容,和栅极竞争了.栅极越小,在离栅极较远的地方,源极和漏极之间的漏电无法控制. 如下图.

1996 年, 当工业界还在生产250纳米的芯片时, 大众的观点是晶体管小型化到 100纳米以下几乎不可能. 但是美国国防先进研究项目总署 (DARPA)已经在思考小型化到 25 纳米时,短沟道效应导致的漏电挑战了.

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