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摩爾定律
閱讀�25542�(shí)間:2010-12-30 09:37:23

  摩爾定律是由英特爾(Intel)創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)提出來的。摩爾定律是�IC上可容納�晶體管數(shù)�,約每隔18�(gè)月便會增加一�,性能也將提升一�� 這一定律揭示了信息技�(shù)�(jìn)步的速度。隨著科技的發(fā)�,商品性能會變得越來越好,而價(jià)格卻變得越來越便宜�

由來

  "摩爾定律"�"始作涌�"是戈頓摩�,大名鼎鼎的芯片制造廠� Intel 公司的創(chuàng)始人之一.20 世紀(jì) 50 年代 末至用年代初半導(dǎo)體制造工�(yè)的高速發(fā)�,�(dǎo)致了"摩爾定律"的出�.

  早在 1959 �,美國著名半導(dǎo)體廠商仙童公司首先推出了平面型晶體管,緊接著于 1961 年又推出了平面型 集成電路.這種平面型制造工藝是在研磨得很平的硅片上,采用一種所�"光刻"技�(shù)來形成半�(dǎo)體電路的 元器�,如二極管,三極�,電阻和電容等.只要"光刻"的精度不斷提�,元器件的密度也會相應(yīng)提高, 從而具有極大的�(fā)�?jié)�?因此平面工藝被認(rèn)為是"整�(gè)半導(dǎo)體工�(yè)�",也是摩爾定律問世的技�(shù)基礎(chǔ).

  1965 � 4 � 19 �,�(shí)任仙童半�(dǎo)體公司研究開�(fā)�(shí)�(yàn)室主任的摩爾�(yīng)邀為《電子學(xué)》雜� 35 周年?�?寫了一篇觀察評論報(bào)�,題目�:"讓集成電路填滿更多的元件".摩爾�(yīng)這家雜志的要求對未來十年間半 �(dǎo)體元件工�(yè)的發(fā)展趨勢作出預(yù)言.�(jù)他推�,� 1975 �,在面積僅為四分之一平方英寸的單塊硅芯片 �,將有可能密集 65000 �(gè)元件.他是根據(jù)器件的復(fù)雜�(電路密度提高而價(jià)格降�)和時(shí)間之間的線� �(guān)系作出這一推斷�,他的原話是這樣說的:"元件�(jià)格下的理雜性每年大約增加一�.可以確信,� 期內(nèi)這一增長率會繼續(xù)保持.即便不是有所加快的話.而在更長�(shí)期內(nèi)的增長率�(yīng)是略有波�,盡管役有 充分的理由來證明,這一增長率至少在未來十年�(nèi)幾乎維持為一�(gè)常數(shù)."這就是后來被人稱�"摩爾定律" 的最初原�.

變種

  摩爾定律的響亮名�,令許多人競相仿效它的表達(dá)方式,從而派�,繁衍出多種版本的"摩爾定律",其中 �:

  摩爾第二定律:摩爾定律提出 30 年來,集成電路芯片的性能的確得到了大幅度的提�;但另一方面,Intel 高層人士開始注意到芯片生�(chǎn)廠的成本也在相應(yīng)提高.1995 �,Intel 董事會主席羅伯特諾伊斯預(yù)見到� 爾定律將受到�(jīng)�(jì)因素的制�.同年,摩爾在《經(jīng)�(jì)�(xué)家》雜志上撰文寫道:"�(xiàn)在令我感到最為擔(dān)心的� 成本的增�,…這是另一條指�(shù)曲線".他的這一說法被人稱為摩爾第二定律.

  新摩爾定�:近年�,國內(nèi) IT 媒體上又出現(xiàn)�"新摩爾定�" 的提�,則指的是我國 Internet �(lián)�(wǎng)主機(jī) �(shù)和上�(wǎng)用戶人數(shù)的遞增速度,大約每半年就翻一�!而且專家們預(yù)言,這一趨勢在未來若干年�(nèi)仍將� 持下�.

終結(jié)

  摩爾定律問世至今已近 40 年了.人們不無驚奇地看到半導(dǎo)體芯片制造工藝水平以一種令人目眩的速度� �.目前,Intel 的微處理器芯� Pentium 4 的主頻已高達(dá) 2G(� 1 2000M) ,2011 年則要推出含� 10 � �(gè)晶體�,每秒可執(zhí)� 1 千億條指令的芯片.人們不禁要�:這種令人難以置信的發(fā)展速度會無止境地持 �(xù)下去�?

  不需要復(fù)雜的邏輯推理就可以知�:芯片上元件的幾何尺寸總不可能無限制地縮小下去,這就意味�,� 有一�,芯片單位面積上可集成的元件數(shù)量會�(dá)到極�.問題只是這一極限是多�,以及何時(shí)�(dá)到這一� �. �(yè)界已有專家預(yù)�(jì), 芯片性能的增長速度將在今后幾年趨緩. 一般認(rèn)�, 摩爾定律能再適用 10 年左�. 其制約的因素一是技�(shù),二是�(jīng)�(jì).

  從技�(shù)的角度看,隨著硅片上線路密度的增加,其復(fù)雜性和差錯(cuò)率也將呈指數(shù)增長,同時(shí)也使全面而徹� 的芯片測試幾乎成為不可能.一旦芯片上線條的寬度達(dá)到納�(10-9 �)�(shù)量級�(shí),相當(dāng)于只有幾�(gè)分子 的大�,這種情況下材料的物理,化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變�,致使采用�(xiàn)行工藝的半導(dǎo)體器件不能正常工 �,摩爾定律也就要走到它的盡頭了.

  從經(jīng)�(jì)的角度看,正如上述摩爾第二定律所�,目前� 20-30 億美元建一座芯片廠,線條尺寸縮小� 0.1 微米�(shí)將猛增至 100 億美�,比一座核電站投資還大.由于花不起這筆�,迫使越來越多的公司退出了� 片行�(yè).看來摩爾定律要再維持十年的壽�,也決非易�.

  然�,也有人從不同的角度來看問�.美國一家名� CyberCash 公司的總裁兼 CEO 丹林啟說,"摩爾� 律是�(guān)于人類創(chuàng)造力的定�,而不是物理學(xué)定律".持類似觀�(diǎn)的人也認(rèn)�,摩爾定律�(shí)際上是關(guān)于人類信 念的定律,�(dāng)人們相信某件事情一定能做到�(shí),就會努力去實(shí)�(xiàn)�.摩爾�(dāng)初提出他的觀察報(bào)告時(shí),他實(shí) 際上是給了人們一種信�,使大家相信他�(yù)言的發(fā)展趨勢一定會持續(xù).

影響

  “摩爾定律”歸納了信息技�(shù)�(jìn)步的速度。�40年里,計(jì)算機(jī)從神秘不可近的龐然大物變成多�(shù)人都不可或缺的工�,信息技�(shù)由實(shí)�(yàn)室�(jìn)入無�(shù)�(gè)普通家�,因特網(wǎng)將全世界�(lián)系起來,多媒體視聽設(shè)備豐富著每�(gè)人的生活�

  這一切背后的動力都是半導(dǎo)體芯�。如果按照舊有方式將晶體�、電阻和電容分別安裝在電路板�,那么不僅�(gè)人電腦和移動通信不會出現(xiàn),基因組研究到計(jì)算機(jī)輔助�(shè)�(jì)和制造等新科技更不可能問世�

  “摩爾定律”還帶動了芯片產(chǎn)�(yè)白熱化的競爭。在紀(jì)念這一定律�(fā)�40周年之時(shí),作為英特爾公司名譽(yù)主席的摩爾說:“如果你期望在半�(dǎo)體行�(yè)處于地位,你無法承擔(dān)落后于摩爾定律的后果?!睆奈羧盏南赏镜浇裉斓挠⑻貭枴⒛ν辛_�、先�(jìn)微設(shè)備公司等,半�(dǎo)體產(chǎn)�(yè)圍繞“摩爾定律”的競爭像大浪淘沙一樣激��

  毫無疑問,“摩爾定律”對整�(gè)世界意義深遠(yuǎn)。在回顧40年來半導(dǎo)體芯片業(yè)的�(jìn)展并展望其未來時(shí),信息技�(shù)專家們說,在今后幾年里,“摩爾定律”可能還會適�。但隨著晶體管電路逐漸接近性能極限,這一定律終將走到盡頭?!澳柖伞焙螘r(shí)失效?專家們對此眾說紛��

  美國惠普�(shí)�(yàn)室研究人員斯坦·威廉姆斯說,到2010年左�,半�(dǎo)體晶體管可能出現(xiàn)問題,芯片廠商必須考慮替代�(chǎn)�。英特爾公司技�(shù)�(zhàn)略部主任保羅·加吉尼則�(rèn)為,2015年左�,部分采用了納米�(dǎo)線等技�(shù)的“混合型”晶體管將投入生�(chǎn)�5年內(nèi)取代半導(dǎo)體晶體管。還有一些專家指�,半�(dǎo)體晶體管可以繼續(xù)�(fā)�,直到其尺寸的極限—�4�6納米之間,那可能�2023年的事情�

�(shí)效探�

  � 40 年來,我們可以看到由于摩爾定律的�(shí)�(xiàn),使我們能以極低的�(jià)格獲得非常高性能的產(chǎn)�。比 如說� 1971 年,英特爾代微處理器� 2300 �(gè)晶體�,到 2007 年我� 45 納米處理器含� 8 億多�(gè)� 體管。這僅相當(dāng)� 1968 年每�(gè)晶體管價(jià)格的百萬分之一,就是因?yàn)槟柖梢詷O低的�(jià)格帶來極高性能� �(chǎn)品才刺激了整�(gè)電子工業(yè)的發(fā)�,才有今天我們討論的為什� IP 地址不夠的問題�

  同時(shí),摩爾定律整�(gè)改變� IT 界和通信界的格局。比如講我們都知道在通信�(lǐng)域有華為、中興這樣 率先崛起的中國的企業(yè)。他們在通信�(lǐng)域里是具有舉足輕重的地位。為什么華為和中興能夠在通訊�(lǐng)域崛 起?而我們沒有看到同樣的企業(yè),比如說在汽車工�(yè)里面出現(xiàn)。我覺得很大的原因是�?yàn)槟柖伤�?了通訊�(lǐng)域在硬件成本方面的門�,使得在今天不需要很多的資金成本,不需要很�(fù)雜的努力,是�(gè)人就 可以做�(gè)交換�(jī),是�(gè)人都可以做一部手�(jī),做得好與不好是另外的事。這種情況在沒有摩爾定律的�(shí)� 是很難想象的�

  幾十年之前的�(shí)�,世界上只有少數(shù) 幾�(gè)廠家是可以做一臺交換機(jī)�。今天遠(yuǎn)�(yuǎn)不是這樣的格局。這很大的原因是因?yàn)槟柖?,換句話�� 今天的汽車行�(yè)里還沒有一�(gè)像華�、中心這樣的產(chǎn)�(yè)出現(xiàn),是不是可以歸結(jié)為在汽車行業(yè)里沒有類似于 摩爾定律的定�。在 40 年當(dāng)中不斷有人在�,我們需要那么多的計(jì)算能力嗎?摩爾定律還能走多遠(yuǎn)�� 我們生活在�(shù)字化的世�,一�(gè) MP3 的文件大小月� 3MB 相當(dāng)� 2400 萬�(gè) 0 � 1。我們看到在� 前為�,我們沒有看到人類對于計(jì)算能力的渴求得到滿足,這是全球人新增的�(jì)算能力到� 2602MIPS/p� 有人懷疑我們的�(jì)算能力的�,可以看看打開筆記本和關(guān)閉筆記本要花�(fèi)多少的時(shí)間才能真正打�、關(guān)� 就能知道具體的答��

  還有,我們認(rèn)為未來的互聯(lián)�(wǎng)將是嵌入式的互聯(lián)�(wǎng)。最開始的時(shí)候是人機(jī)對話,可以說地址是以� 為人口單位的。今后不斷地�(fā)�,由于摩爾定律的不斷�(yīng)�,大量的對話像我們知道的不再是需要人的對 話了,這才有我們今天討論的 IP 地址不夠用的問題�

  我們認(rèn)為在將來,可能會� 150 億�(gè)互聯(lián)�(wǎng)的設(shè)備需要在和網(wǎng)�(luò)上連接。從這里來看,更多的�(shè)� 意味著有更多的晶體管。到 2004 年來�,全球人均擁有晶體管的數(shù)量已�(jīng)�(dá)到了 5 千億�(gè)晶體管人�。所 �,我們認(rèn)為高的計(jì)算量的需求遠(yuǎn)�(yuǎn)沒有�(dá)到極��

  同時(shí),我們也�(rèn)識到并不是在每一�(gè)場合都需要這么高的�(jì)算量。但在我們追求摩爾定律的�(shí)候發(fā) �(xiàn),當(dāng)我們不斷縮小集成電路晶體管體積的時(shí)�,我們還�(fā)�(xiàn)帶來了其它的新的很好的性能。比如說� 20 05 年的�(shí)�,我們把集成電路� 65 納米縮小� 45 納米� 2007 年的�(shí)�,我們發(fā)�(xiàn)不僅僅是晶體管的� 度提高了兩�,切換速度提高� 20%以上,切換的功能降低� 30%以上,源極漏極漏電功能降� 5 倍以上, 這才使移動互�(lián)�(wǎng)成為了可��

  摩爾定律不會過時(shí),摩爾定律還能走多遠(yuǎn)�?這�(gè)問題在過去的 40 年來不斷地被人問�。比如說� 們做� 130 納米的時(shí)�,當(dāng)�(shí)的觀�(diǎn)是認(rèn)� 90 納米是極限了,當(dāng)我們突� 90 納米做到 45 納米的時(shí)�,有 人講 45 納米是極限了,所有的�(yù)言被證明是不正確的。摩爾定律到底能走多�(yuǎn)��

  我們看到隨著晶體管尺寸的不斷縮小,傳統(tǒng)的技�(shù)帶來了極�。其中有一�(gè)漏電。當(dāng)晶體管的尺寸 不斷縮小的時(shí)�,我們發(fā)�(xiàn)源極和漏極之間的漏電�(xiàn)象很大。要克服這�(gè)�(xiàn)�,就是要有更有效的控�� 在多晶硅柵極方面有更多的控制,所以要求在柵極管厚度做得很�。這帶來了柵極漏電的問題,這是逐漸 縮小很大漏洞的瓶��

  在英特爾來講,經(jīng)過我們不斷地努力、試�(yàn)、創(chuàng)�,終于我們在材料方面取得了很大的突破。我� �(fā)�(xiàn)了可以采用高 K 介質(zhì)和金屬柵極來�(shí)�(xiàn)突破技�(shù)。用摩爾先生的話來講,是采用�-K 介質(zhì)和金屬柵� 材料,是上�(gè)世紀(jì)晶體管材料的重大突破,正�?yàn)橛辛诉@樣的重大突破,我們可以由 65 納米做到 45 納米 甚至更低。其他的廠家沒有掌握這樣的技�(shù),從 65 做到 45 的時(shí)�,仍然是采用了演�(jìn)工藝,作為演�(jìn)� �(zhì)的產(chǎn)品,而不是我們作為革命性質(zhì)的產(chǎn)��

  采用� K 柵介�(zhì)的工藝至少使摩爾定律至少延長 10 �。在 2011 年的�(shí)�,我們采用原來的功率� 以做� 130 納米�2003 年的�(shí)� 90 納米�2005 年的�(shí)候做� 65 納米,采用高 K 介質(zhì)的話,我� 2007 � 可以做到 45 納米,今天可以做� 32 納米�

  �(shí)際上摩爾定律的難度有多大,有的廠商說我可以做� 45 納米等等,在�(shí)�(yàn)室集成晶圓上做到一�(gè) 是一回事,要做到很高的成品率又是另外一回事。在英特爾來講,這�(gè)曲線,曲線越低說明不良品率越� 越低,或者是成品率越來越�??梢钥吹皆谟⑻貭杹碇v,我� 65 納米的不良頻率要低于 90 納米,� 45 � 良品率要低于 65 納米。這�(gè)曲線非常�,英特爾在很短的�(shí)間里讓產(chǎn)品的不良率極大地降低。今天英特爾 � 45 納米已經(jīng)成熟,從 2009 年第四季度開始我們將�(jìn)入新一� 32 納米的工藝技�(shù)�

  除了工藝的發(fā)展技�(shù)之外,在這里要有六項(xiàng)核心技�(shù),其中包括半�(dǎo)體工藝技�(shù)、產(chǎn)品設(shè)�(jì)技�(shù)� �(shè)�(jì)工具,制造流�、掩模技�(shù)和封裝技�(shù)。舉封裝技�(shù),在一�(gè)小的米粒里面會出�(xiàn)上千�(gè)管腳,這� 么封裝起來是核心技�(shù)。英特爾具有在所有六�(xiàng)技�(shù)里都有自己的核心競爭�,掌握了所有六�(xiàng)的關(guān)鍵技 �(shù)�

  除此之外,英特爾作為�(chuàng)新者來�,是以超越自我為目標(biāo)�。剛才我講到了每兩年之中,我們的� 成技�(shù)會有突破到下一�。每兩年之間,我們會更新我們微體系的結(jié)�(gòu),就像鐘擺模��2006 年的�(shí)�� 我們在 65 納米引�(jìn)微體系結(jié)�(gòu)。下一年我們在相同的微體系�(jié)�(gòu)下會� 65 納米變成 45 納米,再過一年在 45 納米不變的情況下 2008 年我們引�(jìn) Nehalem 的結(jié)�(gòu),在這樣的情況之�,我會把 45 納米變成 32 納米� 不停的創(chuàng)新與�(fā)展�

  今年在全球金融風(fēng)�、金融海嘯一遍簫條的�(shí)�,今� 2 月份英特爾宣布投� 70 億美金開� 32 � 米的晶圓��2 月份的時(shí)�,美國總�(tǒng)奧巴馬聽到消息之�,打電話到英特爾的總� P 的旅�,奧巴馬� �(tǒng)對我們的 CEO �,我就任以來,聽到一�(gè)正面的消�。奧巴馬總統(tǒng)感謝英特爾在這�(gè)�(shí)候能�?yàn)�?來做出投�。具體來�,在左邊左上角的�,我們在 D1D 的工�,現(xiàn)在已�(jīng)在生�(chǎn) 32 納米的設(shè)�。接� 來在 2009 年第四季度的�(shí)�,我們另外一�(gè)工廠也在俄勒岡州 D1C 升級� 32 納米。接下來在亞利桑那州 � Fab � 32 納米。接下來是在新墨西哥� Fab � 11X,我們最小會升級� 22 納米的工�。所以我們在� 斷地�(chuàng)�。在技�(shù)�(chuàng)新的過程�(dāng)中,挑戰(zhàn)越來越難,資金的成本也越來越多,門檻也越來越高。目前為� 英特爾是世界上一家開工做 32 納米的�

  � 2009 年的�(shí)�,我們現(xiàn)在已�(jīng)完成� 32 納米� 開發(fā)工作。接下來又根�(jù)我們現(xiàn)在的技�(shù),我們可以看得到的,我們在 2011 年可以做� 22 納米�22 納米 就是跟病毒的尺寸是一樣的,然后繼�(xù)� 2013 年可做到 16 納米�2015 年可以做� 11 納米,這是什么概 念,在晶體管的大�,柵極的距離可以排列 50 �(gè)硅原子那么大,再往下做會遇到新的挑�(zhàn)。目前為止我� 看到硅或者是場效�(yīng)管仍然是的電子邏輯設(shè)備。在 2010 年之�,我們需要探討的是如果硅已經(jīng)不足� 支持我們不斷地�(chuàng)�,不斷地往下走的話,會不會有其它的原材料來代替�?;蛘呤亲罡镜膯栴},我� 所做的一切,無非� 01 的兩�(gè)狀�(tài),我們選擇了半導(dǎo)體來代表兩�(gè)狀�(tài)。比如說可以不可以用由其它的� 代表�?所以這是我們不斷創(chuàng)新的里程� 可以看到摩爾定律是驅(qū)動移動互�(lián)�(wǎng)的源動力,或者是催動 IPv6 的源動力� 從英特爾來講過去 40 年是不斷�(chuàng)新的 40 �,是美好� 40 �,因?yàn)橛⑻貭栍薪裉?40 年的歷史。但 是過去的 40 年并不是� 40 年,�?yàn)閷τ谝粋€(gè)�(chuàng)新者來�,的 40 年永�(yuǎn)是下一�(gè) 40 ��

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