2015-07-06 13:43:51
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数学与计算机
存储器/芯片
“摩尔定律”对整个计算机世界意义深远,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,目前广为流传的“摩尔定律”并非摩尔本人的说法!

1. 摩尔和摩尔定律

戈登·摩尔(Gordon Moore,1929-)

著名的“摩尔定律”(Moore’sLaw)已问世五十年。在过去五十年里,这一定律对工业、社会和科技领域所产生的重大影响几乎成功改变了全球的面貌。

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戈登·摩尔(Gordon Moore,1929-)

戈登·摩尔,科学家与富豪融为一身的双面人。在IT行业有一个神话,这个神话就是一条定律把一个企业带到成功的顶峰,这个定律就是“摩尔定律”。信息产业几乎严格按照这个定律以指数方式领导着整个经济发展的步伐,这个定律的发现者不是别人,正是世界头号CPU生产商Intel公司的创始人之一的戈登·摩尔。

戈登·摩尔于1965年提出“摩尔定律”,1990年被布什总统授予“国家技术奖”,2001年退休,并退出Intel的董事会。

戈登·摩尔的简历

1929年1月3日,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,但一家人日子过的非常温馨和乐。11岁的时候,一次偶然的机会让年幼的摩尔对化学产生了兴趣。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,里面有许多真正的化学试剂,可以制成许多稀奇古怪的东西,甚至可以制造炸药。摩尔简直完全着了迷,整天跑到邻居家里去,研究这些小东西,他开始想成为一个化学家。在学校里,摩尔不是非常用功学习的人,但却是很会学习的人,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,实现了自己的少年梦想。1950年,摩尔获得了学士学位,接着他继续深造,于1954年获得物理化学博士学位。1955年—1957年肖克利实验室股份有限公司工程师;1957年—1968年仙童半导体公司创办人;1968年—2001年 Intel总裁,大名鼎鼎的芯片制造厂商因特尔公司的创始人之一。

摩尔定律

20世纪50年代末至60年代初半导体制造工业的高速发展,导致了“摩尔定律”的问世。1965年,当时还是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18个月到两年翻一番。摩尔定律是关于人类创造力的定律,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,它不是自然界的定律,是不能自动实现的。

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Intel公司主要创始人戈登·摩尔在1965年预言芯片上晶体管的数量每18-24个月翻一番。近五十年来,半导体工业的发展进程大致符合这个被称为“摩尔定律”的预言。据世界半导体行业制定的2005年国际半导体技术发展路线图,未来15年集成电路仍将按摩尔定律持续高速发展。目前,半导体工艺技术已经允许将多种不同类型的晶体管集成到同一个衬底上,并允许将处理器和动态存储器集成到一块芯片上,还出现了包括铜互联,应力硅、绝缘硅、高K介质和金属栅材料、单晶体管、多门晶体管和3D芯片等工艺技术。半导体工艺技术的这些进步为处理器芯片设计者提供了更多的资源来实现更高性能的芯片,给体系结构的发展带来机遇。

毫无疑问,“摩尔定律”对整个计算机世界意义深远。在回顾几十年来半导体芯片业的进展并展望其未来时,信息技术专家们说,在今后十多年里,“摩尔定律”可能还会适用。不过,以晶体管为基本单元的摩尔定律,即便能制成小于1纳米,但无论如何也不可能小于一个原子。小于一个原子,晶体管本身就不复存在了。如此算来,不考虑商业因素,最晚到本世纪中叶之前,摩尔定律必定完成其历史使命。摩尔定律已经走过了其最为辉煌的时段,进入黄昏,随之而来的,是以其为基石的半导体工业走过了爆炸式成长的时代之后,无可避免地将从朝阳产业变为夕阳产业。“摩尔定律”何时失效?专家们对此众说纷纭,但“摩尔定律”肯定不会在下一个50年继续有效。随着摩尔定律开始倒计时,一个由原理创新带动的新一波技术革命浪潮正悄悄向我们走来。

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“密度每年翻一番”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》一名采访时的说法,他当年是把“每年翻一番”改为“每两年翻一番”,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“每一年翻一番”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数据。1975年,在一种新出现的电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,摩尔定律并非数学定律或物理定律,而是对事物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,所以才会得到业界人士的公认,并产生巨大的反响。

摩尔定律的意义

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“摩尔定律”归纳了信息技术进步的速度。在摩尔定律应用的50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数个普通家庭,因特网将全世界联系起来,多媒体视听设备丰富着每个人的生活。

由于高纯硅的独特性,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,一个晶体管要10美元左右,但随着晶体管越来越小,直到小到一根头发丝上可以放1000个晶体管时,每个晶体管的价格只有千分之一美分。据有关统计,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。

“摩尔定律”对整个世界意义深远。在回顾50多年来半导体芯片业的进展并展望其未来时,信息技术专家们认为,在以后“摩尔定律”可能还会适用。但随着晶体管电路逐渐接近性能极限,这一定律终将走到尽头。50多年中,半导体芯片的集成化趋势一如摩尔的预测,推动了整个信息技术产业的发展,进而给千家万户的生活带来变化。

2. 摩尔定律的应用

今年——2015年,是英特尔公司创始人之一戈登·摩尔提出著名的“摩尔定律”50周年。50年来,半导体芯片的集成化趋势一如摩尔的预测,推动了整个信息技术产业的发展,进而给千家万户的生活带来变化。

1965年4月,当时还是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。摩尔当时的预测听起来好像是科幻小说;此后也不断有技术专家认为芯片集成的速度“已经到顶”。但事实证明,摩尔的预言是准确的。尽管这一技术进步的周期已经从最初预测的12个月延长到如今的近18个月到两年,但“摩尔定律”依然有效。

“摩尔定律”归纳了信息技术进步的速度。这50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数个普通家庭,互联网将全世界联系起来,多媒体视听设备丰富着每个人的生活。

这一切背后的动力都是半导体芯片。如果按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出现,基因组研究到计算机辅助设计和制造等新科技更不可能问世。

“摩尔定律”还带动了芯片产业白热化的竞争。在纪念这一定律发表50周年之时,作为英特尔公司名誉主席的摩尔说:“如果你期望在半导体行业处于领先地位,你无法承担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,半导体产业围绕“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50年来半导体芯片业的进展并展望其未来时,信息技术专家们说,在今后几年里,“摩尔定律”可能还会适用。但随着晶体管电路逐渐接近性能极限,这一定律终将走到尽头。“摩尔定律”何时失效?专家们对此众说纷纭。

专家们预言,随着半导体晶体管的尺寸接近纳米级,不仅芯片发热等副作用逐渐显现,电子的运行也难以控制,半导体晶体管将不再可靠。“摩尔定律”肯定不会在下一个50年继续有效。不过,纳米材料、相变材料等新进展已经出现,有望应用到未来的芯片中。到那时,即使“摩尔定律”寿终正寝,信息技术前进的步伐也不会变慢。

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