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摩尔定律

外汇网2021-06-20 20:08:19 59

起源由来

“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公司的创立者之一。20世纪50年代末至用年代初半导体制造工业的高速发展,致使了“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。该种平面型制造工艺是在研磨得很平的硅片上,采取一种所谓“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”的精度持续提升,元器件的密度也会相应提升,进而具有极大的成长潜力。所以平面工艺被觉得是“整个半导体工业键”,也是摩尔定律问世的技术基础。

摩尔定律戈登·摩尔

1965年4月19号,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数据,题目是:“让集成电路填满许多的元件”。摩尔应这家杂志的要求对将来十年间半导体元件工业的成长趋势做出预言。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,将有机会密集65000个元件。他是依据器件的复杂性(电路密度提升而价格减弱)和时间之间的线性关系做出这一推断的,他的原话是如此说的:“最低元件价格下的理杂性每年大概增长一倍。可以敢肯定,短时间内这一上涨率会继续维持。即使不是有所加速的话。而在更长期间内的上涨率应是稍有波动,即使役有充分的理由来证明,这一上涨率起码在将来十年内差不多保持为一个常数。”这就是后来被人称为“摩尔定律”的最初原型。

理论人物

戈登·摩尔(Gordon Moore,1929-):英特尔公司(Intel)的创立者之一

1929年1月3号,戈登·摩尔出生在加州旧金山的佩斯卡迪诺。父亲没有上过多少学,17岁就开始养家,做一个小官员,母亲只有中学毕业,但一家人日子过得也温馨和乐。11岁的时机,一次偶然的可能让年幼的摩尔对化学造成了兴趣。当时邻居的孩子有一个独特的圣诞礼物,那是一个化学装置,里面有很多真正的化学试剂,可以制成很多稀奇古怪的东西,甚至可以制造炸药,摩尔简直完全着了迷,整天跑到邻居家中去,研究这些小东西,他开始想形成一个化学家!在学校里,摩尔不是最用功的那个人,但却是最会学习的那个,他整天跑出去做运动,搞发明,但学习成绩一直还不错。高中毕业后他进入了著名的加州伯克利分校的化学专业,达到了自己的少年梦想。1950年,摩尔得到了学士学位,接着他继续深造,于1954年得到物理化学博士学位。

定律修正

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,依据当时的事实情形,对“密度每年回一番”的上涨率执行了从新审定和修正。依照摩尔本人1997年9月接受《科学的美国人》一位编辑专访时的说法,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”。

但是,据网上有的媒体表露,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,或每三年上涨4倍”,有人甚至列出了如下的数学公式:(每芯片的电路上涨倍数)=2(年份-1975)/1.5。这一说法后来形成很多人的“共识”,流传迄今。摩尔本人的声音,无论是最初的“每一年图一番”依旧后来修正的“每两年翻一番”反而被淹没了,如今已鲜有人知。

历史竟和民众开了个不大不小的玩笑:原来当前广为流传的“摩尔定律”并不是摩尔本人的说法!

定律验证

摩尔定律摩尔定律

1975年,在一种新显现的电荷前荷器件存储器芯片中,的的确确含有将差不多65000个元件,与十年前摩尔的预言的确惊人地统一!另据Intel公司发布的统计结果,单个芯片上的晶体管数目,从1971年4004处理器上的2300个,上涨到1997年PentiumII处理器上的7。5百万个,26年内增长了3200倍。我们不妨对此执行一个简单的验证:假使按摩尔本人“每两年翻一番”的预期,26年中应包含13个翻番周期,每经历一个周期,芯片上集成的元件数应提升2n倍(0≤n≤12),所以到第13个周期即26年后元件数这与事实的上涨倍数3200倍可以算是相当靠近了。假使以其余人所说的18个月为翻番周期,则二者相去甚远。可见从长远来说,依旧摩尔本人的说法愈加靠近事实。

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,每一次更新换代均为摩尔定律的直接结果。就在此时PC机的内存储器容量由最早的480k扩大到8M,16M,与摩尔定律更为相符。系统软件方面,早期的计算机受于存储容量的制约,系统软件的范围和功能承受很大制约,伴随内存容量依照摩尔定律的进展呈指数上涨,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年后发展到大概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年后增长到大概200万行。有人将其发展速度绘制一条曲线后发现,软件的范围和复杂性的上涨速度甚至胜过了摩尔定律。系统软件的成长倒过来又提升了对处理器和存储芯片的需求,进而刺激了集成电路的更快发展。

这里需要特别表示的是,摩尔定律并不是数学、物理定律,而是对发展趋势的一种分析预期,所以,无论是它的文字表述依旧定量计算,都应该容许适当的宽裕度。从这个意义向上瞧,摩尔的预言实在是相当精准而又难能可贵的了,所以才会得到业界人员的公认,并造成重大的反响。

应用成果

摩尔定律摩尔定律

2005年是英特尔公司创立者之一戈登·摩尔提出著名的“摩尔定律”40周年。40年中,半导体芯片的集成化趋势一如摩尔的预期,助推了整个信息技术产业的成长,从而给千家万户的生活导致改变。

1965年4月,当时依旧仙童公司电子工程师的摩尔在《电子学》杂志上发表文章预言,半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番。1975年他又提出修正说,芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番。

当时,集成电路问世才6年。摩尔的实验室也只能将50只晶体管和电阻集成在一个芯片上。摩尔当时的预期听起来好像是科幻小说;此后也持续有技术专家觉得芯片集成的进展“已经见顶”。但事实证明,摩尔的预言是精准的。即使这一技术进步的周期已经从最初预期的12个月延长到如今的差不多18个月,但“摩尔定律”任然有效。当前最先进的集成电路已含有17亿个晶体管。

“摩尔定律”归纳了信息技术进步的进展。这40年里,计算机从神秘不可近的庞然大物变成多数人都不可或缺的工具,信息技术由实验室进入无多个普通家庭,因特网将全球联系起来,多媒体视听设备丰富着每个人的生活。

这一切后面的活力均为半导体芯片。假使依照旧有方式将晶体管、电阻和电容分别安装在电路板上,那么不仅个人电脑和移动通信不会显现,基因组研究到计算机辅助设计和制造等新科技更不或许问世。

“摩尔定律”还动员了芯片产业白热化的竞争。在纪念这一定律发表40周年之时,作为英特尔公司名誉主席的摩尔说:“假使你期望在半导体行业处在领先地位,你无法承受落后于摩尔定律的后果。”从昔日的仙童公司到今天的英特尔、摩托罗拉、先进微设备公司等,半导体产业环绕“摩尔定律”的竞争像大浪淘沙一样激烈。

毫无疑问,“摩尔定律”对整个世界意义深远。在回顾40年来半导体芯片业的进度并展望其将来时,信息技术分析师们说,在今后几年里,“摩尔定律”或许还会适用。但伴随晶体管电路渐渐靠近性能极限,这一定律终将走到尽头。“摩尔定律”什么时候失效?分析师们对此众说纷纭。

美国惠普实验室研究人士斯坦·威廉姆斯说,到2010年左右,半导体晶体管或许显现困难,芯片厂商务必考虑替代产品。英特尔公司技术战略部主任保罗·加吉尼则觉得,2015年左右,部分采取了纳米导线等技术的“混合型”晶体管将投入生产,5年内取代半导体晶体管。仍有一部分专家表示,半导体晶体管可以继续发展,直到其尺寸的极限——4到6纳米之间,那或许是2023年的事情。

分析师们预言,伴随半导体晶体管的尺寸靠近纳米级,不仅芯片发热等副作用渐渐显现,电子的运行也很难控制,半导体晶体管将不再牢靠。“摩尔定律”肯定不会在下一个40年继续有效。然而,纳米材料、相变材料等新进度已经显现,有希望应用到将来的芯片中。到那时,即便“摩尔定律”寿终正寝,信息技术前进的脚步也不会变慢。

定律演化

摩尔定律的响亮名声,令很多人竞相仿效它的表达方式,进而派生、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程度的提升;但另一面,Intel高层人员开始注意到芯片生产厂的成本亦在相应提升。1995年,Intel董事会主席罗伯特·诺伊斯预见到摩尔定律将承受经济原因的制衡。同年,摩尔在《经济专家》杂志上发文写道:“当下令我感觉到最为担忧的是成本的增长,…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,中国IT专业媒体上又显现了“新摩尔定律”的提法,则指的是中国Internet联网主机数和上网用户人数的递增速度,大概每半年就翻一番!而且分析师们预言,这一趋势在将来若干年内继续会维持下去。

将来前景

摩尔定律多核保持摩尔定律

摩尔定律问世迄今已40多年了。民众不无惊奇地目睹半导体芯片制造工艺水平以一种让人目眩的进展提升。当前,Intel的微处理器芯片Pentium4的主频已达到2G(即12000M),2011年则要推出含有10亿个晶体管、每秒可实施1千亿条指令的芯片。民众不禁要问:该种让人很难置信的成长速度会无止境地连续下去吗?

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或许无制约地缩减下去,这就代表着,总有一天,芯片单位面积上可集成的元件数量会高达极限。困难导致这一极限是多少,以及什么时候高达这一极限。业界已有专家预计,芯片性能的上涨速度将于今后几年趋缓。一般觉得,摩尔定律能再适用10年左右。其制衡的原因一是技术,二是经济。

从技术的角度看,伴随硅片上线路密度的增长,其复杂性和差错率也将出现指数上涨,同期也使全面而彻底的芯片试探差不多形成不或许。一旦芯片上线条的宽度高达纳米(10-9米)数量级时,相当于只有几个分子的大小,该种情形下材料的物理、化学性能将发生质的改变,致使采取现行工艺的半导体器件不能正常工作,摩尔定律也就得走到它的尽头了。

从经济的角度看,正如上述摩尔第二定律所述,当前是20-30亿美元建一座芯片厂,线条尺寸缩减到0。1微米时将激增到100亿美元,比一座核电站投资还大。受于花不起这笔钱,致使逐渐增多的公司退出了芯片行业。看来摩尔定律要再保持十年的寿命,也决非易事。

但是,也有人从不同的角度来说困难。美国一家名为Cyber Cash公司的总裁兼CEO丹·林启说,“摩尔定律是有关人类创造力的定律,并非是物理学定律”。持相似看法的人也觉得,摩尔定律事实上是有关人类信念的定律,当民众相信某件事情一定能做到时,就会付出去达到它。摩尔当初提出他的观察数据时,他事实上是给了民众一种信念,使大家相信他预言的成长趋势一定会连续。[1]

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