摩尔定律

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近来关于摩尔定律的争论层出不穷,目前对于摩尔定律的看法主要分成两个阵营,每个阵营的看法各不相同。有些人认为这个定律不够正确,目前的情况已经不在适用;而另外一些人却认为摩尔定律在当今的IT界仍然有着强大的生命力。

其实,我们现在谈及的摩尔定律并不是最早从Fairchild 半导体公司提出的定律,而已经经过了修正和改写。

摩尔定律当初的源文档大致内容如下:

“随着电路上电气元件数量的增加,单位成本逐渐下降。到1975年,金融界将看到集成了65,000个元件的硅芯片。

如果按照这个逻辑推论,那么在今天2003年,集成17.5万亿个元件的芯片将成为市场的主流。这跟我们现在拥有的(大概几亿)比起来,好象多了点哦?而问题的关键在于,摩尔当时并没有向我们作出类似的预测。(虽然他预测了一些别的,比如:“继承电路将带来家用电脑-或者至少是连在大型计算机上的终端-的奇迹-比如汽车的自动驾驶,还有个人通信装备等。)

在把事情弄明白之前,我们先来回忆一下那个著名的,我们常常谈及的摩尔定律公式:“电脑芯片中的晶体管的数量每18个月将翻一番。”其实原本这段谈话主要并不是在讨论晶体管密度的问题,其中的那个单词“金融界”是摩尔的主要观点背景,他感兴趣的是集成电路相对于传统电路的可观的成本优势。虽然他对此仍然是有所保留:“芯片上的每个元件的成本将随着元件数量的增加而下降,但是这也会引起成品率的下降。”因此,摩尔的金玉良言本质是:单个芯片上集成大量的元件能够使每个元件的成本降到最低(今天我们所说的元件一般就是指晶体管)也就是说,是关于如何使电路上的元件尽可能地多从而能达到最小成本。

所以,当初摩尔口中的摩尔定律应该是这样:

“开发的成本不断下降,从而能够每年增长1到2个百分点,这种增长的趋势会在短期内持续下去。从长期来看,其增长率仍有不确定的因素,但是我们仍然有理由相信,这种趋势会在近10年内保持发展。这意味着到1975年,为了达到最小成本,每个集成电路上的元件数量将达到65,000。我相信这种规模的电路将能造在一个华夫饼干上。”(在那个时候,一个硅华夫饼干的直径大约是一英寸)

因此,从摩尔的原文来看,他本人并不想做什么长远的预测,他的原话只是涉及到了未来10年,而且还有“有一些不确定”,“基本上持续”等等有所保留的话。但是,过了不久,戈登·摩尔的这番言论,变成了一个定律,一些很重要的东西则被忽略甚至曲解成一种错误的承诺:随着芯片上元件数量的增加而带来的散热问题将不会成为一个大问题。

“如果我们使普通的高速数字计算机的体积缩小到所需大小,我想它将会因为巨大的功率消耗而产生可怕的发热量。但是在集成电路上这种情况将不会发生。由于集成的电气结构是二维的,所以总有一面可以用来帮助散去靠近发热中心部分的热量。”

然而在电气的物理特性上他理解错了。今天的电气结构是三维的,最多可以达到6-7层电路板。而且摩尔似乎也没有注意到电路在线性尺寸被两度减小以后,而产生的物理特性尤其是漏电这种现象。事实上,正是这两个在摩尔定律的最初版本中没有被考虑在内的因素,散热问题和漏电,威胁到了它在未来的生存。

摩尔定律并不是一条完全正确的定理,它是摩尔根据经手的资料而总结出来的一个观察经验。在某种程度上,它对于70年代以后的IT业并不适用。在Intel的网站上我们看到以下一个图表,可以证明这个观点:

从上图看来,Intel自己也并没有遵循摩尔定律:否则我们的奔腾4将包含6710亿个晶体管,而拥有2000万个晶体管的应该是Intel386而不是奔腾3。Intel很快就重写了这个定律以使它和实际相符:晶体管的数目每一年半翻一番,而不是先前的一年。摩尔的不精确的措辞当然允许这样的改动。

而且,随着三维芯片走上舞台,散热的确成了一个大难题。因此对一个旧的定律重新进行阐述是非常合情合理的,但是却有些不敬。想象一下如果引力定律每12年就被重写一次……但是即使作了改动,摩尔定律仍然显得太笼统,太中庸,而且还有巨大的错误。

在制造工艺的不断发展过程中,出现了当时摩尔无法预见的问题。随着元器件越造越小,一些传统工艺无法逾越(或者必须付出巨大的代价来实现)的物理极限横在了我们眼前。

按照出现的顺序,第一个问题就是散热。Intel的CTO Patrick Gelsinger曾经声称:如果芯片中的晶体管数量以现在的速率一直增长下去,到2005年一个高端的处理器每平方厘米散发的热量将和一个核反应堆外壳持平,到2010年可以和火箭助推器相提并论,到2015年就要和太阳表面一样热了。这是一个工程师必须面对的一个大难题。

第二,电流泄露问题。也就是晶体管发射器和接收器之间自然产生的电子迁移。这将使这个晶体管不再工作,却消耗电能。随着晶体管发射器和接收器的距离(也就是晶体管的大小)为了提升速度而越来越小,电子很轻易地就可以迁移这段距离。这将导致耗电量以及随之而来的热量发散大大高于预期值。Intel说它们目前不得不忍受15%的电量损失,而在不远的将来这种损失将达到40%。

为了解决这个问题,应用物理和应用化学界的一些新发现被寄予厚望。科学家们的确拿出了一些新技术比如SOI(Silicon On Insulator),但是总是不能完全消除电流泄露。值得注意的是,移动处理器芯片是这个问题的最大受害者:即使在睡眠模式,光一个处理器就将消耗电池里的大量电能。

第三个问题是热噪。摩尔定律与很多基本的物理定律有冲突,尤其是和热力学定律。得克萨斯大学的教授Laszlo Kish提出一个观点:Johnson's noise(也就是热噪,或者干脆可以理解为集成电路元件散发出的热量)产生的影响相对于0.04微米那么小的元件将是巨大的,最终的结果会导致元件不能稳定地、正常的工作。热噪的级别(对于两极晶体管来说这与底面积有关)和导体的带宽和阻抗成正比。Kish声称热噪与信息、速度和电能消耗有一些基本关联。而随着目前的工艺逐渐从0.09微米过度到0.03微米,带来的热噪的三倍增长将是致命的。

很明显,所有这些情况都将减缓集成电路领域的进展脚步,并证明摩尔定律的陈腐,其实从2000年起Intel已经开始对此进行暗示,提出了时间表。在另一方面,集成电路工业将不得不重新修订整个技术进程,并完全放弃硅晶体管。目前还不清楚谁将取代它的地位,虽然目前看来纳米管非常有前途。事实上,分子电子学今日的飞速发展正是由于它马上就将走到尽头了,因此,很难说哪个先进技术将成为它的救世主。

第四个,也是最后一个理由:基本大小的限制。如果晶体管仍然持续不断地变小,他们将于2010年变到一个原子那么大。任何纳米管和传统工艺都对这种情况没有办法。当然摩尔于90年代提出了一个限制:认为摩尔定律到2017年将会失效。事实上,Intel目前已经拥有了制造8-angstrom-long 晶体管的能力,这个长度只是原子直径的3倍。但是,如果要实现Intel承诺的预言――在2010年能够在显微镜底下把这么一个晶体管装到包含着数十亿个晶体管的处理器上,他们还有很长的一段路要走。

传统的个人电脑可能会被量子、生物或者光学个人电脑等取代,但是它们并不能拯救最初是针对集成电路的摩尔定律。那么,摩尔定律灭亡了吗?应该说的确是这样的。对于摩尔定律的争论是有价值的,每18个月番一番的定律已经不在适用。

上述,只是我们的一家之言,我们相信关于摩尔定律的争论将会持续更多年,届时Intel将完全把40-65微米制造工艺扫地出门。最终用什么技术来取代它,我们不能枉下定论。不管怎么说,这个定律对于普通用户来说,总是科学的。遗憾的是,处理器的性能表现,从来不像晶体管数量那样遵循摩尔定律。奔腾2(750万个晶体管)和奔腾三(2400万个晶体管)的性能差距并没有三倍。因此,最终摩尔定律也许会对工业产生一些正面的影响:也许工程师们将学会使用仅有数量的晶体管来达到更高的效率而已。

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