摩尔定律的准确性_摩尔定律失效的原因_超越摩尔发展的新趋势

　　用粗浅的话来阐述摩尔定律就是说IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，该定律是由英特尔（Intel）名誉董事长戈登·摩尔（Gordon Moore）经过长期观察发现得之。

　　该定律阐述了戈登·摩尔整理资料时发现的一个惊人趋势，每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量，每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18-24个月内。如果这个趋势继续的话，计算能力相对于时间周期将呈指数式的上升。Moore的观察资料，就是现在所谓的Moore定律，所阐述的趋势一直延续至今，且仍不同寻常地准确。人们还发现这不光适用于对存储器芯片的描述，也精确地说明了处理机能力和磁盘驱动器存储容量的发展。该定律成为许多工业对于性能预测的基础。在26年的时间里，芯片上的晶体管数量增加了3200多倍，从1971年推出的第一款4004的2300个增加到奔腾II处理器的750万个。

　　摩尔定律出现的原因

　　由于高纯硅的独特性，集成度越高，晶体管的价格越便宜，这样也就引出了摩尔定律的经济学效益，在20世纪60年代初，一个晶体管要10美元左右，但随着晶体管越来越小，直小到一根头发丝上可以放1000个晶体管时，每个晶体管的价格只有千分之一美分。据有关统计，按运算10万次乘法的价格算，IBM704电脑为1美元，IBM709降到20美分，而60年代中期IBM耗资50亿研制的IBM360系统电脑已变为3.5美分。

　　后来人们对它进行归纳，主要有以下三种“版本”：

　　1、集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。

　　2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一倍。

　　3、用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。

　　以上几种说法中，以第一种说法最为普遍，第二、三两种说法涉及到价格因素，其实质是一样的。三种说法虽然各有千秋，但在一点上是共同的，即“翻番”的周期都是18个月，至于“翻一番”（或两番）的是“集成电路芯片上所集成的电路的数目”，是整个“计算机的性能”，还是“一个美元所能买到的性能”就见仁见智了。

　　摩尔定律的准确性

　　摩尔定律到底准不准？让我们先来看几个具体的数据。1975年，在一种新出现的电荷前荷器件存储器芯片中，的的确确含有将近65000个元件，与十年前摩尔的预言的确惊人地一致！另据Intel公司公布的统计结果，单个芯片上的晶体管数目，从1971年4004处理器上的2300个，增长到1997年 Pentium II处理器上的7.5百万个，26年内增加了3200倍。我们不妨对此进行一个简单的验证：如果按摩尔本人“每两年翻一番”的预测，26年中应包括13个翻番周期，每经过一个周期，芯片上集成的元件数应提高2n倍（0≤n≤12），因此到第13个周期即26年后元件数应提高了212＝4096倍，作为一种发展趋势的预测，这与实际的增长倍数3200倍可以算是相当接近了。如果以其他人所说的18个月为翻番周期，则二者相去甚远。可见从长远来看，还是摩尔本人的说法更加接近实际。

　　也有人从个人计算机（即PC）的三大要素--微处理器芯片、半导体存储器和系统软件来考察摩尔定律的正确性。微处理器方面，从1979年的8086和 8088，到1982年的80286，1985年的80386，1989年的80486，1993年的Pentium，1996年的 PentiumPro，1997年的PentiumII，功能越来越强，价格越来越低，每一次更新换代都是摩尔定律的直接结果。与此同时PC机的内存储器容量由最早的480k扩大到8M，16M，与摩尔定律更为吻合。系统软件方面，早期的计算机由于存储容量的限制，系统软件的规模和功能受到很大限制，随着内存容量按照摩尔定律的速度呈指数增长，系统软件不再局限于狭小的空间，其所包含的程序代码的行数也剧增：Basic的源代码在1975年只有4，000 行，20年后发展到大约50万行。微软的文字处理软件Word，1982年的第一版含有27，000行代码，20年后增加到大约200万行。有人将其发展速度绘制一条曲线后发现，软件的规模和复杂性的增长速度甚至超过了摩尔定律。系统软件的发展反过来又提高了对处理器和存储芯片的需求，从而刺激了集成电路的更快发展。

　　这里需要特别指出的是，摩尔定律并非数学、物理定律，而是对发展趋势的一种分析预测，因此，无论是它的文字表述还是定量计算，都应当容许一定的宽裕度。从这个意义上看，摩尔的预言实在是相当准确而又难能可贵的了，所以才会得到业界人士的公认，并产生巨大的反响。

　　摩尔定律的结束

　　摩尔定律问世至今已近40年了。人们不无惊奇地看到半导体芯片制造工艺水平以一种令人目眩的速度提高。目前，Intel的微处理器达芯片Pentium 4的主频已高2G（即12000M），2011年则要推出含有10亿个晶体管、每秒可执行1千亿条指令的芯片。人们不禁要问：这种令人难以置信的发展速度会无止境地持续下去吗？不需要复杂的逻辑推理就可以知道：芯片上元件的几何尺寸总不可能无限制地缩小下去，这就意味着，总有一天，芯片单位面积上可集成的元件数量会达到极限。问题只是这一极限是多少，以及何时达到这一极限。业界已有专家预计，芯片性能的增长速度将在今后几年趋缓。一般认为，摩尔定律能再适用10年左右。其制约的因素一是技术，二是经济。

　　从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。一旦芯片上线条的宽度达到纳米（10-9米）数量级时，相当于只有几个分子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，摩尔定律也就要走到它的尽头了。

　　从经济的角度看，正如上述摩尔第二定律所述，目前是20-30亿美元建一座芯片厂，线条尺寸缩小到0.1微米时将猛增至100亿美元，比一座核电站投资还大。由于花不起这笔钱，迫使越来越多的公司退出了芯片行业。看来摩尔定律要再维持十年的寿命，也决非易事。

　　然而，也有人从不同的角度来看问题。美国一家名叫CyberCash公司的总裁兼CEO丹·林启说，“摩尔定律是关于人类创造力的定律，而不是物理学定律”。持类似观点的人也认为，摩尔定律实际上是关于人类信念的定律，当人们相信某件事情一定能做到时，就会努力去实现它。摩尔当初提出他的观察报告时，他实际上是给了人们一种信念，使大家相信他预言的发展趋势一定会持续。

　　电子产业或超越摩尔发展

　　由于同样小的空间里集成越来越多的硅电路，产生的热量也越来越大，这种原本两年处理能力加倍的速度已经慢慢下滑。此外，还有更多更大的问题也慢慢显现，如今顶级的芯片制造商的电路精度已经达到14纳米，比大多数病毒还要小。但是，全球半导体行业研发规划蓝图协会主席保罗·加尔吉尼（ Paolo Gargini）表示：“到2020年，以最快的发展速度来看，我们的芯片线路可以达到2-3纳米级别，然而在这个级别上只能容纳10个原子，这样的设备，还能叫做一个‘设备’吗？”

　　恐怕不能。到了那样的级别，电子的行为将受限于量子的不确定性，晶体管将变得不可靠。在这样的前景下，尽管这方面已经有无数研究，但目前人们仍然无法找到可以替代如今的硅片技术的新的材料或技术。

　　下个月发布的行业研究规划蓝图将史无前例地不以摩尔定律为中心，相反，新的战略可能是“超越摩尔”（More than Moore ）：与以往首先改善芯片、软件随后跟上的发展趋势不同，以后半导体行业的发展将首先看软件——从手机到超级电脑再到云端的数据中心——然后反过来看要支持软件和应用的运行需要什么处理能力的芯片来支持，由于新的计算设备变得越来越移动化，新的芯片中，可能会有新的一代的传感器、电源管理电路和其他的硅设备。

　　这种局势的转变，也改变了半导体行业围绕摩尔定律不再团结一致。“大家都不确定新的研究规划蓝图意味着什么，” 爱荷华大学计算机科学家丹尼尔·里德（Daniel Reed）表示。位于华盛顿DC的 半导体行业协会（The Semiconductor Industry Association， SIA）代表所有美国半导体企业，已经表示不再参与全球半导体行业研究规划蓝图的章程，而是自行决定研发进度。

　　尽管摩尔定律已经走向黄昏，但这并不意味着半导体行业停止了发展。丹尼尔·里德将之与飞机制造行业进行比较：“现在的波音787并不比上世纪50年代的波音707快多少——但这两个型号的飞机可差太多了，波音787的创新体现在其他地方，比如全电子控制、碳纤维机身等，计算机行业也是如此，创新将会继续，但是会体现在更细小和更复杂的地方。”