電子基礎知識：摩爾定律相關(guān)知識詳解

摩爾定律

摩爾定律是由英特爾(Intel)創(chuàng )始人之一戈登•摩爾(GordonMoore)提出來(lái)的。其內容為：集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個(gè)月便會(huì )增加一倍，性能也將提升一倍，而價(jià)格下降一半;或者說(shuō)，每一美元所能買(mǎi)到的電腦性能，將每隔18個(gè)月翻兩番。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。

1965年4月19日《電子學(xué)》雜志第114頁(yè)發(fā)表了一篇仙童公司工程師摩爾撰寫(xiě)的題為“讓集成電路填滿(mǎn)更多的元件”的文章，文中預言半導體芯片上集成的晶體管和電阻數量將每年翻一番。

1975年，摩爾在IEEE的一次學(xué)術(shù)年會(huì )上提交了一篇論文，根據當時(shí)的實(shí)際情況對摩爾定律進(jìn)行了修正，把“每年翻一番”改為“每?jì)赡攴环?rdquo;，而現在普遍流行的說(shuō)法是“每18個(gè)月翻一番”。但1997年9月摩爾在接受一次采訪(fǎng)時(shí)聲明他從來(lái)沒(méi)有說(shuō)過(guò)“每18個(gè)月翻一番”。

加州理工學(xué)院的教授CarverMead也參與了摩爾定律的提出。摩爾表示，20年來(lái)，他對人們稱(chēng)他為摩爾定律創(chuàng )始人的做法受之有愧。英特爾的前官員 DavidHouse曾經(jīng)推斷說(shuō)，晶體管的數量每18個(gè)月翻番。實(shí)際上，芯片的性能每隔18個(gè)月翻番一次。摩爾強調說(shuō)，他從來(lái)沒(méi)有說(shuō)過(guò)18個(gè)月。

摩爾定律不適合于硬盤(pán)驅動(dòng)器的容量或者其它設備之上。摩爾開(kāi)玩笑的說(shuō)：“摩爾定律已經(jīng)被應用于任何呈現指數級增長(cháng)的東西上面，我很高興因此而獲得好評。”

選擇硅的原因

這是一個(gè)材料科學(xué)上奇跡。硅是是一種很好的半導體(它能夠導電，但同時(shí)也可以控制的方式進(jìn)行的)，盡管收縮，硅的晶體結構仍然能保持完整。

摩爾定律現在失效了嗎?

盡管很多分析師與企業(yè)的官員已經(jīng)放言摩爾定律將過(guò)時(shí)，但它可能仍然發(fā)揮作用。

一些人，比如惠普實(shí)驗室的StanWilliams與PhilKuekes認為，到2010年，晶體管的收縮將成為一個(gè)問(wèn)題。因此，廠(chǎng)商需要找到新的替代材料，比如惠普的“縱橫制交換”(crossbarswitches)。

另外一些人，比如英特爾的科技戰略部主任PaoloGargini則宣稱(chēng)，到2015年，制造商們才開(kāi)始轉向混合芯片(hybridchips)，比如結合了傳統晶體管元素與新出現材料，比如納米線(xiàn)的芯片。到2020年，新型芯片才會(huì )完全投入使用。

從理論的角度講，硅晶體管還能夠繼續縮小，直到4納米級別生產(chǎn)工藝出現為止，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。預計時(shí)間可能在2023年左右。到那個(gè)時(shí)候，由于控制電流的晶體管柵極(transistorgate)以及氧化柵極(gateoxide)距離將非常貼近，因此，將發(fā)生電子漂移現象(electronsdrift)。如果發(fā)生這種情況，晶體管會(huì )失去可靠性，原因是晶體管會(huì )由此無(wú)法控制電子的進(jìn)出，從而無(wú)法制造出1和0出來(lái)。

如果替代晶體管的材料永遠找不到，摩爾定律便會(huì )失效。

如果替代材料出現了，那么類(lèi)似摩爾定律的規律將仍然出現。

現在，科學(xué)家們都在尋找最好的替代材料，碳納米管，硅納米線(xiàn)晶體管，分子開(kāi)關(guān)(molecularcrossbars)，相態(tài)變化材料(phasechangematerials)，自旋電子(spintronics)目前都處于試驗階段。

盡管硅有局限性，但制造商與設計師們仍然喜歡這種材料。硅將繼續出現在某些設備當中。摩爾表示：“我認為，硅技術(shù)仍然是制造復雜微結構及材料的基本方法。”

翻番的作用

晶體管數量翻倍帶來(lái)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(wù)便是縮小晶體管的大小，然后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將精力放在依靠芯片的總體性能上。由于新舊芯片的體積一樣，因此新款芯片的成本與舊款芯片一樣。另外，小的晶體管意味著(zhù)電子不需要傳得過(guò)遠，從而提升了芯片的性能。

摩爾定律的影響

摩爾定律讓生產(chǎn)找到了提升其產(chǎn)品性能的途徑。18年前，“華爾街”這部電影里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(wàn)象素照相機，MP3音樂(lè )播放器都能夠融于小小的一只手機當中。功能更加強大，價(jià)格更加便宜的芯片讓軟件開(kāi)發(fā)商們得以開(kāi)發(fā)出既時(shí)通訊，3D游戲以及網(wǎng)頁(yè)瀏覽器這樣的東西。將電流弄進(jìn)晶體管相當困難，晶體管會(huì )發(fā)熱，這是一個(gè)問(wèn)題。一些晶體管結構，譬如氧化柵極，僅有幾個(gè)原子那么薄，因此很容易漏電。

未來(lái)幾年，硅將應用到新地方。各種才起步的公司希望在墻壁上，家具中甚至野生動(dòng)物身上嵌入傳感器。微流體芯片(MicrofluidicsChip)可以讓醫生用筆記本電腦獲知許多病人的身體狀況。在經(jīng)濟方面僅有幾個(gè)行業(yè)會(huì )受此影響。汽車(chē)制造商們已經(jīng)表示將會(huì )改造汽車(chē)內部的茶托(cupholders)以及汽車(chē)的外形，因為汽車(chē)的引擎不會(huì )朝令夕改。

專(zhuān)門(mén)衡量摩爾定律的一個(gè)規則叫做Rock定律。Rock定律說(shuō)，芯片工廠(chǎng)的組裝成本每四年會(huì )翻番?，F在，新的組裝工廠(chǎng)會(huì )耗資數十億美元。出于成本原因，絕大多數的芯片公司現在并不擁有組裝工廠(chǎng)。華爾街的分析師，未來(lái)學(xué)家，甚至芯片企業(yè)的官員一直在表示，高昂的成本將終結或者減弱摩爾定律的使用。

摩爾的預測

摩爾在文章中還預見(jiàn)到：電腦不僅可用來(lái)保存數據和作為強大的計算機器，一旦處理器晶片的功能象大型機一樣強勁，價(jià)格又非常之低時(shí)，電腦將會(huì )應用于社會(huì )的每個(gè)領(lǐng)域，如家庭電腦、手持電話(huà)等都會(huì )問(wèn)世。信息的集中處理將為分散處理所取代，未來(lái)人們將生活在電腦無(wú)所不在的社會(huì )里.

摩爾預見(jiàn)了計算機時(shí)代的美好未來(lái).科學(xué)需要預見(jiàn)，產(chǎn)業(yè)需要眼光.這兩者摩爾都具備了，所以他參與創(chuàng )辦了Intel公司，身體力行地去驗證了自己的預言，并使Intel公司在數年間就發(fā)展成為領(lǐng)導電腦工業(yè)潮流的全球性企業(yè)。

摩爾還預測過(guò)家用電腦以及電子表。上個(gè)世紀70年代初，在電子學(xué)雜志的，摩爾還預測了“奧弗辛斯基效應應用電子標準內存” (OvonicsUnifiedMemory)。但并不是摩爾說(shuō)的每樣東西都變?yōu)榱爽F實(shí)。他曾經(jīng)預測說(shuō)，現在的晶圓(wafers)直徑會(huì )達到56英寸，現在的晶圓直徑已經(jīng)突破了12英寸。