摩尔定律的详细解释
收藏人:cnbk
2014-09-13 11:18:10 | 阅:  转:0  
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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。
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