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完全指南:摩尔定律

关键要点

  • 摩尔定律实际上并非一条法律,而是对技术的一般见解,即计算能力每两年翻倍。
  • 具体来说,它指的是在这段时间内可以在电路上容纳的晶体管数量将翻倍,这将导致处理能力的加倍。
  • 实际上,摩尔定律已经缩短到每18个月翻倍一次!
  • 由于功耗和尺寸之间的关系,摩尔定律的未来并不十分光明。

摩尔定律的概念最早由美国工程师戈登·摩尔在1965年提出。然而,尽管它被称为“摩尔定律”,但实际上它并不是一条真正的法律。相反,摩尔定律是这样一个理念:大约每两年,技术都会使制造商能够将晶体管的总数翻倍,装入集成电路中。简单来说,这意味着计算能力随着时间的推移呈指数增长。然而,摩尔的预测最终被改为每18个月翻倍一次,而不是每两年。

摩尔还将晶体管的尺寸纳入了他的理论中,因为每一代新的晶体管都比上一代更小。这与更便宜的制造价格一起,意味着计算机性能可以以指数增长的速度增长。

什么是摩尔定律?详细解释

1965年,英特尔的联合创始人之一、美国工程师戈登·摩尔提出了一个假设,即现代发明的步伐将稳定地增加制造商在集成电路上可以装入的晶体管数量。他预测这个数量大约每两年翻一番。

这个理念最重要的含义是,随着晶体管变得越来越小,效率的提高将导致计算能力和计算机变得越来越快和便宜。由于朝着摩尔定律的推动,数字电子创新的例子包括闪存和内存容量的稳步增加,微处理器价格的持续降低,甚至是手机相机像素质量的惊人进步。

摩尔定律的概念最早由美国工程师戈登·摩尔提出。

摩尔基于他在计算机架构和芯片设计中注意到的趋势的历史,提出了他的观点。他的目的并不是创造一个固定的公式,也不是命名他的观察为“摩尔定律”。他的思想在法律意义上不符合真正法律的定义,也不符合科学意义上理论的定义。这是一个基于历史数据的洞察,随着时间的推移,它变成了一种神奇的预测,现在被轰动性的新闻简单地编码为黄金法则。

随着时间的推移,摩尔的预测的具体时间框架稍微改变以反映不断变化的现实。最终,翻倍的速度稳定在大约每18个月一次。速度的小变化对摩尔定律的巨大指数影响并没有太多改变,我们在半导体行业已经见证了几十年几乎不间断的创新和机遇。

摩尔定律之所以能够持续,部分原因是因为半导体行业一直在努力保持这一定律。在戈登·摩尔提出这一预测后的几年里,半导体制造商将其作为指导,帮助他们为长期的研发计划设定目标。他们竭尽所能将半导体行业的进展图与摩尔定律不断上升的图形保持同步。

许多参与者投入资源来保持摩尔定律的有效性,包括微处理器制造商、众多工业和学术研究人员,甚至是一些世界上最强大国家的政府。这创造了一个自我实现的预言,推动了技术进步的爆炸以及我们在最近历史上看到的经济增长和生产力的蓬勃发展。

摩尔定律:确切定义

摩尔定律是美国工程师戈登·摩尔在1960年代首次提出的一个概念,大致意思是,技术大约每两年就会使制造商能够将晶体管的总数翻倍并集成到一个集成电路中。从总体上来说,它意味着计算能力会随着时间的推移呈指数增长。

摩尔定律是如何运作的?

晶体管是电子计算机最基本的构建模块之一。它们通常由经过处理的硅或其他半导体材料的层次组成,这些层次被精确地拼接在一起,以特定的方式影响电子。

晶体管有不同的种类,但从根本上来说,它们的作用是在芯片上将电流从一个地方导向另一个地方。它们可以像开关或逻辑门一样,通过放大电子信号、将其反馈到输入端或完全阻塞它来执行布尔函数。

在计算链中,集成电路或微芯片是位于晶体管之上的一步,它们是由尽可能多的晶体管组成的小方形硅片。晶体管通过在硅片表面的薄线连接在一起,这些薄线通常由铝、铜或有时金制成。制造商能够将尽可能多的互连晶体管塞入尽可能小的空间中,微芯片将导电速度更快,计算机运行更快。

摩尔在1965年的认识的核心是基于他发现的一种工程模式:每一代新的晶体管都比上一代更小。这种工程模式还有一个经济相关性:晶体管的成本似乎与生产的晶体管数量成反比。这两个想法似乎暗示了计算能力可以以指数速率增长。

随着集成电路变得更小、更快、更强大,它们开始演变成一种通用技术。与执行一项具体任务不同,集成电路,就像轮子一样,可以应用于许多不同的领域和行业。集成电路的指数级爆炸推动了无数技术突破,包括智能手机和笔记本电脑、gps、纳米技术、人工智能和基因医学。一些经济学家认为自20世纪70年代以来,集成电路对美国经济增长的贡献高达三分之一。

谁发现了摩尔定律?

戈登·摩尔于1950年从加利福尼亚大学获得化学学士学位,四年后又在加州理工学院获得化学博士学位。毕业后,他加入了马里兰州约翰霍普金斯大学的应用物理实验室,研究固体火箭推进剂。在与美国海军合作改进高射炮导弹的两年时间里,摩尔决定转入私营行业,以便他的研究受到更少的限制和更少的繁文缛节。

戈登·摩尔因在半导体行业取得的成功而闻名。

1956年,摩尔加入加利福尼亚的肖克利半导体实验室,在威廉·肖克利的指导下研究硅晶体管的制造工艺。肖克利因帮助发明晶体管而获得了诺贝尔奖。在肖克利紧张的管理下不到两年的时间里,摩尔已经受够了。他辞职,与七位同事共同创办了新公司——费尔查尔德半导体公司,其中包括也是集成电路的共同发明人之一的罗伯特·诺伊斯

1968年,摩尔和诺伊斯退出费尔查尔德,创办了一家名为英特尔公司的新公司。他们的重点是通过让公司的科学家、工程师和其他研究人员直接参与芯片生产,来改进微芯片,使理论更接近实践。这次合作给英特尔带来了他们的第一个商业成功:由磁性氧化物制成的半导体存储芯片。

1965年,在摩尔离开费尔查尔德不久之前,他接受了《电子杂志》的采访,该杂志为特别专辑刊登了他的采访。采访者问他对电子技术的近期未来的预测,作为回应,他写了一篇题为“将更多组件塞入集成电路”的短文。他观察到电路中的组件总数几乎每年翻倍一次,因此他将这一趋势无限期地延伸下去。摩尔最初的预测是,在他采访后的10年内的1975年,每个集成电路将能够容纳65,000个组件。

他的预测并未完全准确,但相当接近。到了1975年,摩尔发现增长的速度比他想象的要慢一些,所以他将翻倍时间从一年延长到两年。这个修正后的公式事实上过于悲观。在他的预测发表后的大约50年时间里,晶体管的数量实际上每18个月翻倍一次。

摩尔定律的应用有哪些?

更好的计算能力

由于半导体行业对摩尔定律的追求,计算的速度和效率不断提高,而成本则有所降低。随着集成电路和其晶体管变得越来越微小,所有相关的数字技术都变得更快、更小、通常也更便宜。

数字社会

随着数字技术的进步,我们数字社会的每一个部分都会得到改善。设备变得更加便携,电子表格变得更容易使用,gps系统和天气预报变得更准确,等等。随着计算能力的增加,与更快、更小的计算相关的行业也得到了改善,包括教育、能源生产、纳米技术、医疗保健、交通运输等等。

科技进步的速度越来越快。

©tippapatt/shutterstock.com

摩尔定律在现实世界中的例子

实际上,摩尔定律意味着大约每两年,电子设备和个人电脑的性能可以提高一倍。

在1970年,一颗含有2,000个晶体管的芯片的成本约为1,000美元。在1972年,你可以用大约500美元购买到同样的芯片,而在1974年,它的价格下降到约250美元。在1990年,同样数量的晶体管的价格仅为0.97美元,而现在的成本则低于0.02美元。

在1990年,一台典型的个人电脑的成本约为3,000美元。在1992年,相同的计算能力的花费为1,500美元,到1994年降至750美元。而如今,它只需要约5美元。

晶体管可靠缩小的尺寸是造成电路复杂性这种指数级爆炸的可能性的原因。在1940年代,制造商用毫米来衡量晶体管。到了1980年代,晶体管的尺寸缩小到不到一微米,即一米的百万分之一,这使得动态随机存储器芯片的存储能力达到了以兆字节为单位。

到了2000年代,晶体管的尺寸约为0.1微米,内存芯片的存储能力达到了以千兆字节为单位。到了2010年代,晶体管开始用纳米来衡量,即将一米分成十亿份。这相对于1940年代来说,缩小了100,000倍。

随着摩尔定律延续到2020年代,我们开始看到利用三维图案的纳米技术的进展,使得制造商可以在芯片上放置更多微小的晶体管。最新的微芯片包含超过500亿个晶体管,并需要一个极其精细的放置过程,涉及多次曝光和巨大的复杂性。

这种微芯片复杂性的增加主要涉及到规模的创新。现在我们已经达到了纳米技术水平,规模复杂性正在减缓摩尔定律的进展。计算机架构的演变正接近分子限制,每一代新芯片的结果在性能、功耗降低和密度方面的改善越来越小。

摩尔定律的未来

一些技术专家认为,摩尔定律即将终结,并将在未来几十年内彻底消失。他们预计,计算机架构将达到其极限,因为晶体管无法在越来越高的温度下工作,而小型电路产生的温度越高。保持微小晶体管的冷却将消耗比通过它们运行的电压更多的能量。

其他专家认为,这可能并不意味着摩尔定律的结束,而只是一种我们跟上它的方式发生了戏剧性变化。摩尔定律可能并没有死,它可能只是从一种复杂性转变为另一种复杂性。越来越多的计算机科学家认为,当我们达到规模复杂性的极限时,系统复杂性的创新将成为使摩尔定律保持在正确轨道上的主要技术。

几十年来,进展的障碍主要是晶体管的物理尺寸。半导体行业通过发明更小更复杂的设计来规避这些障碍,这些设计可以更好地束缚电子。

一旦芯片达到纳米级领域,生产成本开始成为一个问题。以前用于雕刻硅特征的可见光波长对于最大精度变得太厚,因此该行业发明了涉及紫外线辐射的新型光刻方法。这些新方法使得朝着越来越小的方向前进成为可能,但它们并不便宜。经济学家估计,自1970年代以来,使我们能够保持摩尔定律的研究价格已经增加了18倍。幸运的是,到目前为止,这一增加已经被大量生产所抵消。

推动摩尔定律发展的不是一个特定的事物,而是大约100个不同的变量,每个变量都有其自身的限制和成本效益比。随着缩放的进步放缓,该行业已能通过专注于改进其中一些其他变量来保持指数增长。系统硬件复杂性是其中最有希望的变量之一,即寻找将晶体管集成到芯片中的新方法,例如3d架构。

另一个有趣的变量是系统软件复杂性,即专注于减少臃肿软件以充分利用现有微芯片的思路。当芯片以稳定的速度不断改进时,运行在其上的代码不需要尽可能高效。程序员也经常忽略了充分利用多核处理器等新硬件设计的潜力。例如,研究人员最近通过定制一段典型的python代码,充分利用一种具有18核处理器的新芯片设计,将其运行时间从七个小时缩短至0.41秒。

即使我们仅坚持目前的方法,英特尔的专家们仍相信他们将能够至少在未来10年内跟上摩尔定律的步伐。如果最好的当前芯片拥有约500亿个晶体管,并且该数字继续每两年翻一番,那么在10年内,每个芯片的晶体管数量将达到约1.6万亿个。与今天的处理能力相比,这是约3200%的改进。

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