電子基礎(chǔ)知識(shí)：摩爾定律相關(guān)知識(shí)詳解 - 全文

　　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(nèi)容為：集成電路上可容納的晶體管數(shù)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(yù)言半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)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(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況對(duì)摩爾定律進(jìn)行了修正，把“每年翻一番”改為“每?jī)赡攴环?，而現(xiàn)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(duì)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(shù)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(qiáng)調(diào)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(qū)動(dòng)器的容量或者其它設(shè)備之上。摩爾開(kāi)玩笑的說(shuō)：“摩爾定律已經(jīng)被應(yīng)用于任何呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的東西上面，我很高興因此而獲得好評(píng)。”

　　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(dǎo)體（它能夠?qū)щ?，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(jié)構(gòu)仍然能保持完整。

　　摩爾定律現(xiàn)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(yàn)室的StanWilliams與PhilKuekes認(rèn)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(zhàn)略部主任PaoloGargini則宣稱(chēng)，到2015年，制造商們才開(kāi)始轉(zhuǎn)向混合芯片（hybridchips），比如結(jié)合了傳統(tǒng)晶體管元素與新出現(xiàn)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(xù)縮小，直到4納米級(jí)別生產(chǎn)工藝出現(xiàn)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(yù)計(jì)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(xiàn)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(yuǎn)找不到，摩爾定律便會(huì)失效。

　　如果替代材料出現(xiàn)了，那么類(lèi)似摩爾定律的規(guī)律將仍然出現(xiàn)。

　　現(xiàn)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(yàn)階段。

　　盡管硅有局限性，但制造商與設(shè)計(jì)師們?nèi)匀幌矚g這種材料。硅將繼續(xù)出現(xiàn)在某些設(shè)備當(dāng)中。摩爾表示：“我認(rèn)為，硅技術(shù)仍然是制造復(fù)雜微結(jié)構(gòu)及材料的基本方法?！?br />

　　翻番的作用

　　晶體管數(shù)量翻倍帶來(lái)的好處可以總結(jié)為：更快、更小、更便宜。根據(jù)摩爾定律，芯片設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)師為芯片添加更多的功能，比如3D顯卡，從而節(jié)約成本。

　　晶體管的增加也能夠讓設(shè)計(jì)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，小的晶體管意味著電子不需要傳得過(guò)遠(yuǎn)，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(jī)象一塊磚，而現(xiàn)在，晶體管數(shù)量的增加讓多功能手機(jī)得以出現(xiàn)，電視，7百萬(wàn)象素照相機(jī)，MP3音樂(lè)播放器都能夠融于小小的一只手機(jī)當(dāng)中。功能更加強(qiáng)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(dāng)困難，晶體管會(huì)發(fā)熱，這是一個(gè)問(wèn)題。一些晶體管結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(yī)生用筆記本電腦獲知許多病人的身體狀況。在經(jīng)濟(jì)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(nèi)部的茶托（cupholders）以及汽車(chē)的外形，因?yàn)槠?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(guī)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(xiàn)在，新的組裝工廠(chǎng)會(huì)耗資數(shù)十億美元。出于成本原因，絕大多數(shù)的芯片公司現(xiàn)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(jié)或者減弱摩爾定律的使用。

　　摩爾的預(yù)測(cè)

　　摩爾在文章中還預(yù)見(jiàn)到：電腦不僅可用來(lái)保存數(shù)據(jù)和作為強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)器，一旦處理器晶片的功能象大型機(jī)一樣強(qiáng)勁，價(jià)格又非常之低時(shí)，電腦將會(huì)應(yīng)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(yù)見(jiàn)了計(jì)算機(jī)時(shí)代的美好未來(lái)．科學(xué)需要預(yù)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(yàn)證了自己的預(yù)言，并使Intel公司在數(shù)年間就發(fā)展成為領(lǐng)導(dǎo)電腦工業(yè)潮流的全球性企業(yè)。

　　摩爾還預(yù)測(cè)過(guò)家用電腦以及電子表。上個(gè)世紀(jì)70年代初，在電子學(xué)雜志的，摩爾還預(yù)測(cè)了“奧弗辛斯基效應(yīng)應(yīng)用電子標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存”（OvonicsUnifiedMemory）。但并不是摩爾說(shuō)的每樣?xùn)|西都變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。他曾經(jīng)預(yù)測(cè)說(shuō)，現(xiàn)在的晶圓（wafers）直徑會(huì)達(dá)到56英寸，現(xiàn)在的晶圓直徑已經(jīng)突破了12英寸。

　　在過(guò)去的幾十年里，計(jì)算機(jī)特別是微型計(jì)算機(jī)，它的微處理器以及許多新技術(shù)的發(fā)展速度均遵循摩爾定律的法則。摩爾定律現(xiàn)在已經(jīng)被“移植”到許多新領(lǐng)域，如媒體傳播領(lǐng)域。Internet的發(fā)展也被人們認(rèn)為遵循摩爾定律的規(guī)律。