摩爾簡介
摩爾定律40周年
摩爾先生于40年前提出了摩爾定律。最早刊登摩爾定律的雜志是1965年4月19日出版的《電子學》,該期雜志發表了摩爾的一篇文章。摩爾在文中預測,半導體芯片上集成的晶體管和電阻數量将每年翻一番。1975年他又提出修正說,芯片上集成的晶體管數量将每兩年翻一番。當時摩爾還是仙童公司的電子工程師,而後于1968年共同創辦英特爾,任副總裁,從此将intel的革命帶入整個信息産業。
英特爾前任總裁Gordon Moore在1965年4月19日的《電子學》(Electronics)技術期刊上發表了摩爾定律。目前摩爾定律在芯片制造業已經經過證實。并有說法經過新的改良的芯片制造技術,摩爾定律還有望延續20年。
1965年4月,當時還是仙童公司電子工程師的摩爾在《電子學》雜志上發表文章預言,半導體芯片上集成的晶體管和電阻數量将每年翻一番。1975年他又提出修正說,芯片上集成的晶體管數量将每兩年翻一番。
當時,集成電路問世才6年。摩爾的實驗室也隻能将50隻晶體管和電阻集成在一個芯片上。摩爾當時的預測聽起來好像是科幻小說;此後也不斷有技術專家認為芯片集成的速度“已經到頂”。但事實證明,摩爾的預言是準确的。盡管這一技術進步的周期已經從最初預測的12個月延長到如今的近18個月,但“摩爾定律”依然有效。目前最先進的集成電路已含有17億個晶體管。
“摩爾定律”歸納了信息技術進步的速度。這40年裡,計算機從神秘不可近的龐然大物變成多數人都不可或缺的工具,信息技術由實驗室進入無數個普通家庭,因特網将全世界聯系起來,多媒體視聽設備豐富着每個人的生活。
這一切背後的動力都是半導體芯片。如果按照舊有方式将晶體管、電阻和電容分别安裝在電路闆上,那麼不僅個人電腦和移動通信不會出現,基因組研究到計算機輔助設計和制造等新科技更不可能問世。
“摩爾定律”還帶動了芯片産業白熱化的競争。在紀念這一定律發表40周年之時,作為英特爾公司名譽主席的摩爾說:“如果你期望在半導體行業處于領先地位,你無法承擔落後于摩爾定律的後果。”從昔日的仙童公司到今天的英特爾、摩托羅拉、先進微設備公司等,半導體産業圍繞“摩爾定律”的競争像大浪淘沙一樣激烈。
毫無疑問,“摩爾定律”對整個世界意義深遠。在回顧40年來半導體芯片業的進展并展望其未來時,信息技術專家們說,在今後幾年裡,“摩爾定律”可能還會适用。但随着晶體管電路逐漸接近性能極限,這一定律終将走到盡頭。“摩爾定律”何時失效?專家們對此衆說紛纭。
什麼叫摩爾定理
盡管這一定律後來成為裡程碑似的東西,但這篇文章當時并沒有放在首要位置,文章所在的頁碼是114頁。
摩爾最近說:"當時,你不會想把這種東西放入你的檔案中的,我當時沒有想到它會如此的精确。"
加州理工學院的教授Carver Mead也參與了摩爾定律的提出。摩爾表示,20年來,他對人們稱他為摩爾定律創始人的做法受之有愧。英特爾的前官員David House曾經推斷說,晶體管的數量每18個月翻番。實際上,芯片的性能每隔18個月翻番一次。摩爾強調說,他從來沒有說過18個月。
摩爾定律不适合于硬盤驅動器的容量或者其它設備之上。摩爾開玩笑的說:"摩爾定律已經被應用于任何呈現指數級增長的東西上面,我很高興因此而獲得好評。"
翻番有何用途?
晶體管數量翻倍帶來的好處可以總結為:更快,更小,更便宜。根據摩爾定律,芯片設計師的主要任務便是縮小晶體管的大小,然後讓芯片能夠容納越多的晶體管。晶體管的增加可以讓設計師為芯片添加更多的功能,比如3D顯卡,從而節約成本。
晶體管的增加也能夠讓設計師将精力放在依靠芯片的總體性能上。由于新舊芯片的體積一一樣,因此新款芯片的成本與舊款芯片一樣。
另外,小的晶體管意味着電子不需要傳得過遠,從而提升了芯片的性能。
為什麼是矽
這是一個材料科學上奇迹。矽是是一種很好的半導體(它能夠導電,但同時也可以控制的方式進行的),盡管收縮,矽的晶體結構仍然能保持完整。
摩爾定律現在失效了嗎?
沒有,盡管很多分析師與企業的官員已經放言摩爾定律将過時,但它可能仍然發揮作用。
一些人,比如惠普實驗室的Stan Williams與Phil Kuekes認為,到2010年,晶體管的收縮将成為一個問題。因此,廠商需要找到新的替代材料,比如惠普的"交叉開關"(crossbar switches)。
另外一些人,比如英特爾的科技戰略部主任 Paolo Gargini則宣稱,到2015年,制造商們才開始轉向混合芯片(hybrid chips),比如結合了傳統晶體管元素與新出現材料,比如納米線的芯片。到2020年,新型芯片才會完全投入使用。
從理論的角度講,矽晶體管還能夠繼續縮小,直到4納米級别生産工藝出現為止,時間可能在2023年左右。到那個時候,由于控制電流的晶體管門(transistor gate)以及氧化栅極(gate oxide)距離将非常貼近,因此,将發生電子漂移現象(electrons drift)。如果發生這種情況,晶體管會失去可靠性,原因是晶體管會由此無法控制電子的進出,從而無法制造出1和0出來。
(注:納米是衡量芯片的體積單位。一納米是一米的十億分之一。目前的芯片一般使用90納米工藝制造。)
如果失效會怎樣?
很難講。如果替代晶體管的材料永遠找不到,摩爾定律便會失效。如果替代材料出現了,那麼類似摩爾定律的規律将仍然出現。
最好的替代材料是什麼?
天知道?碳納米管,矽納米線晶體管,分子開關(molecular crossbars),相态變化材料(phase change materials),自旋電子(spintronics)目前都處于試驗階段。
盡管矽有局限性,但制造商與設計師們仍然喜歡這種材料。矽将繼續出現在某些設備當中。
摩爾表示:"我認為,矽技術仍然是制造複雜微結構及材料的基本方法。"
摩爾定律的影響
如何影響實際産品
摩爾定律讓生産找到了提升其産品性能的途徑。18年前,"華爾街"這部電影裡面的麥克爾道格拉斯拿的手機象一塊磚,而現在,晶體管數量的增加讓多功能手機得以出現,電視,7百萬象素照相機,MP3音樂播放器都能夠融于小小的一隻手機當中。
功能更加強大,價格更加便宜的芯片讓軟件開發商們得以開發出既時通訊,3D遊戲以及網頁浏覽器這樣的東西。
做了哪些别的預測
摩爾還是預測過家用電腦以及電子表。上個世紀70年代初,在電子學雜志的,摩爾還預測了"奧弗辛斯基效應應用電子标準内存"(Ovonics Unified Memory)。
并不是摩爾說的每樣東西都變為了現實。他曾經預測說,現在的晶圓(wafers)直徑會達到56英寸,現在的晶圓直徑已經突破了12英寸。



















