電子基礎(chǔ)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個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，而價格下降一半;或者說，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩番。這一定律揭示了信息技術(shù)進步的速度。

1965年4月19日《電子學(xué)》雜志第114頁發(fā)表了一篇仙童公司工程師摩爾撰寫的題為“讓集成電路填滿更多的元件”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)年會上提交了一篇論文，根據(jù)當(dāng)時的實際情況對摩爾定律進行了修正，把“每年翻一番”改為“每兩年翻一番”，而現(xiàn)在普遍流行的說法是“每18個月翻一番”。但1997年9月摩爾在接受一次采訪時聲明他從來沒有說過“每18個月翻一番”。

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，他對人們稱他為摩爾定律創(chuàng)始人的做法受之有愧。英特爾的前官員 DavidHouse曾經(jīng)推斷說，晶體管的數(shù)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(diào)說，他從來沒有說過18個月。

摩爾定律不適合于硬盤驅(qū)動器的容量或者其它設(shè)備之上。摩爾開玩笑的說：“摩爾定律已經(jīng)被應(yīng)用于任何呈現(xiàn)指數(shù)級增長的東西上面，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?，但同時也可以控制的方式進行的)，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)放言摩爾定律將過時，但它可能仍然發(fā)揮作用。

一些人，比如惠普實驗室的StanWilliams與PhilKuekes認(rèn)為，到2010年，晶體管的收縮將成為一個問題。因此，廠商需要找到新的替代材料，比如惠普的“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，到2015年，制造商們才開始轉(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，硅晶體管還能夠繼續(xù)縮小，直到4納米級別生產(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)計時間可能在2023年左右。到那個時候，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。

如果替代晶體管的材料永遠(yuǎn)找不到，摩爾定律便會失效。

如果替代材料出現(xiàn)了，那么類似摩爾定律的規(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，硅納米線晶體管，分子開關(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(shè)計師們?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。”

翻番的作用

晶體管數(shù)量翻倍帶來的好處可以總結(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象一塊磚，而現(xiàn)在，晶體管數(shù)量的增加讓多功能手機得以出現(xiàn)，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只手機當(dāng)中。功能更加強大，價格更加便宜的芯片讓軟件開發(fā)商們得以開發(fā)出既時通訊，3D游戲以及網(wǎng)頁瀏覽器這樣的東西。將電流弄進晶體管相當(dāng)困難，晶體管會發(fā)熱，這是一個問題。一些晶體管結(jié)構(gòu)，譬如氧化柵極，僅有幾個原子那么薄，因此很容易漏電。

未來幾年，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)濟方面僅有幾個行業(yè)會受此影響。汽車制造商們已經(jīng)表示將會改造汽車內(nèi)部的茶托(cupholders)以及汽車的外形，因為汽車的引擎不會朝令夕改。

專門衡量摩爾定律的一個規(guī)則叫做Rock定律。Rock定律說，芯片工廠的組裝成本每四年會翻番。現(xiàn)在，新的組裝工廠會耗資數(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。華爾街的分析師，未來學(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

摩爾在文章中還預(yù)見到：電腦不僅可用來保存數(shù)據(jù)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，價格又非常之低時，電腦將會應(yīng)用于社會的每個領(lǐng)域，如家庭電腦、手持電話等都會問世。信息的集中處理將為分散處理所取代，未來人們將生活在電腦無所不在的社會里.

摩爾預(yù)見了計算機時代的美好未來.科學(xué)需要預(yù)見，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(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)測過家用電腦以及電子表。上個世紀(jì)70年代初，在電子學(xué)雜志的，摩爾還預(yù)測了“奧弗辛斯基效應(yīng)應(yīng)用電子標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存” (OvonicsUnifiedMemory)。但并不是摩爾說的每樣?xùn)|西都變?yōu)榱爽F(xiàn)實。他曾經(jīng)預(yù)測說，現(xiàn)在的晶圓(wafers)直徑會達(dá)到56英寸，現(xiàn)在的晶圓直徑已經(jīng)突破了12英寸。