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摩尔定律

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摩尔摩尔

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。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。
 

 

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“整个半导体的工业键”,也是摩尔定律问世的技术基础。
1965年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”。在摩尔开始绘制数据时,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。摩尔的观察资料,就是后来的摩尔定律,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。

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“每两年翻一番”。实际上,后来更准确的时间是两者的平均:18个月。

演化

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: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。
发展前景
摩尔定律问世已40多年,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。Intel的微处理器芯片Pentium4的主频已高达2G(即12000M),2011年推出了含有10亿个晶体管、每秒可执行1千亿条指令的芯片。这种发展速度是否会无止境地持续下去是成为人们所思考的问题。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尽头。
从经济的角度看,正如摩尔第二定律所述,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,越来越多的公司退出了芯片行业。[1]
物理学家加来纪雄(Michio Kaku)是纽约城市大学一名理论物理学教授,称摩尔定律在叱咤芯片产业47年风云之久后,正日渐走向崩溃。这将对计算机处理进程产生重大影响。在未来十年左右的时间内,摩尔定律就会崩溃,单靠标准的硅材料技术,计算能力无法维持快速的指数倍增长。
  加来纪雄表示导致摩尔定律失效的两大主因是高温和漏电。这也正是硅材料寿命终结的原因。加来纪雄表示这与科学家们最初预测摩尔定律没落大相径庭。科学家应该能继续挖掘硅部件的潜力,从而在未来几年时间里维持摩尔定律的生命力;但在3D芯片等技术也都耗尽潜力以后,那么也就将达到极限。
  各领域
科学家以及产业分析师们都预测到了摩尔定律的失效。然而研究者们同时又提出,不断进步的芯片结构和部件使得摩尔定律在今天依然有效。就连被称作“建立在摩尔定律之上”的Intel公司宣布随着采用纳米导线等技术的新型晶体管逐渐取代传统的半导体晶体管,已经进入“大叔”级别的“摩尔定律”,将不能继续引领电子设备发展的节奏。
突破研究
 
2012年10月28日,美国IBM研究所科学家宣称,最新研制的碳纳米管芯片符合了“摩尔定律”周期,依据摩尔定律,计算机芯片每18个月集成度翻番,价格减半。传统的晶体管是由硅制成,然而2011年来硅晶体管已接近了原子等级,达到了物理极限,由于这种物质的自然属性,硅晶体管的运行速度和性能难有突破性发展。
IBM公司的研究人员在一个硅芯片上放置了1万多个碳纳米晶体管,碳纳米晶体管的电子比硅质设备运行得更快。它们也是晶体管最理想的结构形式。这些优异的性能将成为替代硅晶体管的原因,同时结合新芯片设计架构,未来将使微型等级芯片实现计算机创新。
研究人员发现,电子被捕获进一个接口处具有一层氧化物或者金属的半导体后就很容易被抽进空气中,藏匿于该接口处的电子会形成一层电荷,而且该电子层内部的带电粒子之间的库伦排斥力也会使电子很容易从硅中释放出来。他们通过施加很少量的电压,有效地从硅结构中提取出了电子,随后再将电子置于空气中,使它们能在纳米尺度的通道内行进,而不会遇到任何的碰撞或者发生散射。

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尚莹1334
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