摩爾定律

目錄
·摩爾定律概述
·摩爾定律由來
·摩爾定律修正
·摩爾定律驗證
·摩爾定律應用
·摩爾定律演化
·摩爾定律前景






   　　
摩爾定律概述
　　摩爾定律是指IC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。摩爾定律是由英特爾(Intel)名譽董事長戈登·摩爾（Gordon Moore）經過長期觀察發(fā)現(xiàn)得之。

　　計算機第一定律——摩爾定律Moore定律1965年，戈登·摩爾（GordonMoore）準備一個關于計算機存儲器發(fā)展趨勢的報告。他整理了一份觀察資料。在他開始繪制數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)了一個驚人的趨勢。每個新芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個芯片的產生都是在前一個芯片產生后的18-24個月內。如果這個趨勢繼續(xù)的話，計算能力相對于時間周期將呈指數(shù)式的上升。Moore的觀察資料，就是現(xiàn)在所謂的Moore定律，所闡述的趨勢一直延續(xù)至今，且仍不同尋常地準確。人們還發(fā)現(xiàn)這不光適用于對存儲器芯片的描述，也精確地說明了處理機能力和磁盤驅動器存儲容量的發(fā)展。該定律成為許多工業(yè)對于性能預測的基礎。在26年的時間里，芯片上的晶體管數(shù)量增加了3200多倍，從1971年推出的第一款4004的2300個增加到奔騰II處理器的750萬個。

　　由于高純硅的獨特性，集成度越高，晶體管的價格越便宜，這樣也就引出了摩爾定律的經濟學效益，在20世紀60年代初，一個晶體管要10美元左右，但隨著晶體管越來越小，直小到一根頭發(fā)絲上可以放1000個晶體管時，每個晶體管的價格只有千分之一美分。據(jù)有關統(tǒng)計，按運算10萬次乘法的價格算，IBM704電腦為1美元，IBM709降到20美分，而60年代中期IBM耗資50億研制的IBM360系統(tǒng)電腦已變?yōu)?.5美分。到底什么是"摩爾定律&＃039;"？歸納起來，主要有以下三種"版本"：

　　1、集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個月就翻一番。

　　2、微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一倍。

　　3、用一個美元所能買到的電腦性能，每隔18個月翻兩番。

　　以上幾種說法中，以第一種說法最為普遍，第二、三兩種說法涉及到價格因素，其實質是一樣的。三種說法雖然各有千秋，但在一點上是共同的，即"翻番"的周期都是18個月，至于"翻一番"（或兩番）的是"集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目"，是整個"計算機的性能"，還是"一個美元所能買到的性能"就見仁見智了。

摩爾定律由來
　　“摩爾定律”的“始作俑者”是戈頓·摩爾，大名鼎鼎的芯片制造廠商Intel公司的創(chuàng)始人之一。20世紀50年代末至用年代初半導體制造工業(yè)的高速發(fā)展，導致了“摩爾定律”的出臺。

　　早在1959年，美國著名半導體廠商仙童公司首先推出了平面型晶體管，緊接著于1961年又推出了平面型集成電路。這種平面型制造工藝是在研磨得很平的硅片上，采用一種所謂"光刻"技術來形成半導體電路的元器件，如二極管、三極管、電阻和電容等。只要"光刻"的精度不斷提高，元器件的密度也會相應提高，從而具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼似矫婀に嚤徽J為是"整個半導體工業(yè)鍵"，也是摩爾定律問世的技術基礎。

　　1965年4月19日，時任仙童半導體公司研究開發(fā)實驗室主任的摩爾應邀為《電子學》雜志35周年�？瘜懥艘黄�觀察評論報告，題目是：“讓集成電路填滿更多的元件”。摩爾應這家雜志的要求對未來十年間半導體元件工業(yè)的發(fā)展趨勢作出預言。據(jù)他推算，到1975年，在面積僅為四分之一平方英寸的單塊硅芯片上，將有可能密集65000個元件。他是根據(jù)器件的復雜性（電路密度提高而價格降低）和時間之間的線性關系作出這一推斷的，他的原話是這樣說的："最低元件價格下的理雜性每年大約增加一倍�？梢源_信，短期內這一增長率會繼續(xù)保持。即便不是有所加快的話。而在更長時期內的增長率應是略有波動，盡管役有充分的理由來證明，這一增長率至少在未來十年內幾乎維持為一個常數(shù)。"這就是后來被人稱為"摩爾定律"的最初原型。

摩爾定律修正

　　1975年；摩爾在國際電信聯(lián)盟IEEE的學術年會上提交了一篇論文，根據(jù)當時的實際情況，對"密度每年回一番"的增長率進行了重新審定和修正。按照摩爾本人1997年9月接受（科學的美國人）一名編輯采訪時的說法，他當年是把"每年翻一番"改為"每兩年翻一番"，并聲明他從來沒有說過"每18個月翻一番"。

　　然而，據(jù)網上有的媒體透露，就在摩爾本人的論文發(fā)表后不久，有人將其預言修改成"半導體集成電路的密度或容量每18個月翻一番，或每三年增長4倍"，有人甚至列出了如下的數(shù)學公式：（每芯片的電路增長倍數(shù)）=2（年份-1975）/1.5。這一說法后來成為許多人的"共識"，流傳至今。摩爾本人的聲音，無論是最初的"每一年翻一番"還是后來修正的"每兩年翻一番"反而被淹沒了，如今已鮮有人知。

　　歷史竟和人們開了個不大不小的玩笑：原來目前廣為流傳的"摩爾定律"并非摩爾本人的說法！

摩爾定律驗證
　　摩爾定律到底準不準？讓我們先來看幾個具體的數(shù)據(jù)。1975年，在一種新出現(xiàn)的電荷前荷器件存儲器芯片中，的的確確含有將近65000個元件，與十年前摩爾的預言的確驚人地一致！另據(jù)Intel公司公布的統(tǒng)計結果，單個芯片上的晶體管數(shù)目，從1971年4004處理器上的2300個，增長到1997年Pentium II處理器上的7.5百萬個，26年內增加了3200倍。我們不妨對此進行一個簡單的驗證：如果按摩爾本人"每兩年翻一番"的預測，26年中應包括13個翻番周期，每經過一個周期，芯片上集成的元件數(shù)應提高2n倍（0≤n≤12），因此到第13個周期即26年后元件數(shù)應提高了212＝4096倍，作為一種發(fā)展趨勢的預測，這與實際的增長倍數(shù)3200倍可以算是相當接近了。如果以其他人所說的18個月為翻番周期，則二者相去甚遠�？梢姀拈L遠來看，還是摩爾本人的說法更加接近實際。

　　也有人從個人計算機（即PC）的三大要素--微處理器芯片、半導體存儲器和系統(tǒng)軟件來考察摩爾定律的正確性。微處理器方面，從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，功能越來越強，價格越來越低，每一次更新?lián)Q代都是摩爾定律的直接結果。與此同時PC機的內存儲器容量由最早的480k擴大到8M，16M，與摩爾定律更為吻合。系統(tǒng)軟件方面，早期的計算機由于存儲容量的限制，系統(tǒng)軟件的規(guī)模和功能受到很大限制，隨著內存容量按照摩爾定律的速度呈指數(shù)增長，系統(tǒng)軟件不再局限于狹小的空間，其所包含的程序代碼的行數(shù)也劇增：Basic的源代碼在1975年只有4,000行，20年后發(fā)展到大約50萬行。微軟的文字處理軟件Word，1982年的第一版含有27,000行代碼，20年后增加到大約200萬行。有人將其發(fā)展速度繪制一條曲線后發(fā)現(xiàn)，軟件的規(guī)模和復雜性的增長速度甚至超 過了摩爾定律。系統(tǒng)軟件的發(fā)展反過來又提高了對處理器和存儲芯片的需求，從而刺激了集成電路的更快發(fā)展。

　　這里需要特別指出的是，摩爾定律并非數(shù)學、物理定律，而是對發(fā)展趨勢的一種分析預測，因此，無論是它的文字表述還是定量計算，都應當容許一定的寬裕度。從這個意義上看，摩爾的預言實在是相當準確而又難能可貴的了，所以才會得到業(yè)界人士的公認，并產生巨大的反響。

摩爾定律應用
　　2005年是英特爾公司創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出著名的“摩爾定律”40周年。40年中，半導體芯片的集成化趨勢一如摩爾的預測，推動了整個信息技術產業(yè)的發(fā)展，進而給千家萬戶的生活帶來變化。

　　1965年4月，當時還是仙童公司電子工程師的摩爾在《電子學》雜志上發(fā)表文章預言，半導體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年翻一番。1975年他又提出修正說，芯片上集成的晶體管數(shù)量將每兩年翻一番。

　　當時，集成電路問世才6年。摩爾的實驗室也只能將50只晶體管和電阻集成在一個芯片上。摩爾當時的預測聽起來好像是科幻小說；此后也不斷有技術專家認為芯片集成的速度“已經到頂”。但事實證明，摩爾的預言是準確的。盡管這一技術進步的周期已經從最初預測的12個月延長到如今的近18個月，但“摩爾定律”依然有效。目前最先進的集成電路已含有17億個晶體管。

　　“摩爾定律”歸納了信息技術進步的速度。這40年里，計算機從神秘不可近的龐然大物變成多數(shù)人都不可或缺的工具，信息技術由實驗室進入無數(shù)個普通家庭，因特網將全世界聯(lián)系起來，多媒體視聽設備豐富著每個人的生活。

　　這一切背后的動力都是半導體芯片。如果按照舊有方式將晶體管、電阻和電容分別安裝在電路板上，那么不僅個人電腦和移動通信不會出現(xiàn)，基因組研究到計算機輔助設計和制造等新科技更不可能問世。

　　“摩爾定律”還帶動了芯片產業(yè)白熱化的競爭。在紀念這一定律發(fā)表40周年之時，作為英特爾公司名譽主席的摩爾說：“如果你期望在半導體行業(yè)處于領先地位，你無法承擔落后于摩爾定律的后果�！睆奈羧盏南赏�公司到今天的英特爾、摩托羅拉、先進微設備公司等，半導體產業(yè)圍繞“摩爾定律”的競爭像大浪淘沙一樣激烈。

　　毫無疑問，“摩爾定律”對整個世界意義深遠。在回顧40年來半導體芯片業(yè)的進展并展望其未來時，信息技術專家們說，在今后幾年里，“摩爾定律”可能還會適用。但隨著晶體管電路逐漸接近性能極限，這一定律終將走到盡頭�！澳�爾定律”何時失效？專家們對此眾說紛紜。

　　美國惠普實驗室研究人員斯坦·威廉姆斯說，到2010年左右，半導體晶體管可能出現(xiàn)問題，芯片廠商必須考慮替代產品。英特爾公司技術戰(zhàn)略部主任保羅·加吉尼則認為，2015年左右，部分采用了納米導線等技術的“混合型”晶體管將投入生產，5年內取代半導體晶體管。還有一些專家指出，半導體晶體管可以繼續(xù)發(fā)展，直到其尺寸的極限——4到6納米之間，那可能是2023年的事情。

　　專家們預言，隨著半導體晶體管的尺寸接近納米級，不僅芯片發(fā)熱等副作用逐漸顯現(xiàn)，電子的運行也難以控制，半導體晶體管將不再可靠�！澳�爾定律”肯定不會在下一個40年繼續(xù)有效。不過，納米材料、相變材料等新進展已經出現(xiàn)，有望應用到未來的芯片中。到那時，即使“摩爾定律”壽終正寢，信息技術前進的步伐也不會變慢。

摩爾定律演化
　　摩爾定律的響亮名聲，令許多人競相仿效它的表達方式，從而派生、繁衍出多種版本的"摩爾定律"，其中如：

　　摩爾第二定律：摩爾定律提出30年來，集成電路芯片的性能的確得到了大幅度的提高；但另一方面，Intel高層人士開始注意到芯片生產廠的成本也在相應提高。1995年，Intel董事會主席羅伯特·諾伊斯預見到摩爾定律將受到經濟因素的制約。同年，摩爾在《經濟學家》雜志上撰文寫道："現(xiàn)在令我感到最為擔心的是成本的增加，…這是另一條指數(shù)曲線"。他的這一說法被人稱為摩爾第二定律。

　　新摩爾定律：近年來，國內IT專業(yè)媒體上又出現(xiàn)了"新摩爾定律" 的提法，則指的是我國Internet聯(lián)網主機數(shù)和上網用戶人數(shù)的遞增速度，大約每半年就翻一番！而且專家們預言，這一趨勢在未來若干年內仍將保持下去。

摩爾定律前景
　　摩爾定律問世40年了。人們不無驚奇地看到半導體芯片制造工藝水平以一種令人目眩的速度提高。目前，Intel的微處理器芯片Pentium 4的主頻已高達2G（即1 2000M），2011年則要推出含有10億個晶體管、每秒可執(zhí)行1千億條指令的芯片。人們不禁要問：這種令人難以置信的發(fā)展速度會無止境地持續(xù)下去嗎？

　　不需要復雜的邏輯推理就可以知道：芯片上元件的幾何尺寸總不可能無限制地縮小下去，這就意味著，總有一天，芯片單位面積上可集成的元件數(shù)量會達到極限。問題只是這一極限是多少，以及何時達到這一極限。業(yè)界已有專家預計，芯片性能的增長速度將在今后幾年趨緩。一般認為，摩爾定律能再適用10年左右。其制約的因素一是技術，二是經濟。

　　從技術的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復雜性和差錯率也將呈指數(shù)增長，同時也使全面而徹底的芯片測試幾乎成為不可能。一旦芯片上線條的寬度達到納米（10-9米）數(shù)量級時，相當于只有幾個分子的大小，這種情況下材料的物理、化學性能將發(fā)生質的變化，致使采用現(xiàn)行工藝的半導體器件不能正常工作，摩爾定律也就要走到它的盡頭了。

　　從經濟的角度看，正如上述摩爾第二定律所述，目前是20-30億美元建一座芯片廠，線條尺寸縮小到0.1微米時將猛增至100億美元，比一座核電站投資還大。由于花不起這筆錢，迫使越來越多的公司退出了芯片行業(yè)�？磥砟�爾定律要再維持十年的壽命，也決非易事。

　　然而，也有人從不同的角度來看問題。美國一家名叫CyberCash公司的總裁兼CEO丹·林啟說，“摩爾定律是關于人類創(chuàng)造力的定律，而不是物理學定律”。持類似觀點的人也認為，摩爾定律實際上是關于人類信念的定律，當人們相信某件事情一定能做到時，就會努力去實現(xiàn)它。摩爾當初提出他的觀察報告時，他實際上是給了人們一種信念，使大家相信他預言的發(fā)展趨勢一定會持續(xù)。
摩爾定律是由英特爾公司名譽董事長戈登·摩爾經過長期觀察發(fā)現(xiàn)得出的結論，一開始被用于描述半導體制造領域的一種現(xiàn)象，即指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。后來，摩爾定律被引入到其他高科技行業(yè)，用來形容技術快速發(fā)展帶來的性能提高。
　　在光纖通信行業(yè)，密集波分復用技術(DWDM)曾經很好地詮釋了摩爾定律。DWDM是一種關鍵的基礎性網絡技術，通過在一根光纖內傳送多路平行的吉比特光信號，使帶寬成本大幅降低，從而讓寬帶互聯(lián)網得以普及。該技術還擁有傳輸距離遠、延遲低的優(yōu)點。隨著網絡傳輸量迅速增長，電信運營商希望能以更低的單位成本傳送更多的信息，因此，DWDM在固定通信基礎設施中的地位得以鞏固并不斷加強。從2003年到2007年，運營商在DWDM技術上的花費增長了將近兩倍，2007年，全球在該技術設備上的支出達到58億美元。
　　在過去的10年中，著名咨詢機構Ovum公司使用一個網絡帶寬資本支出(capex)的計量公式，計算每秒鐘在一公里長的距離內傳輸1GB信息量所需的成本。電信運營商一開始在每根語音線路上實現(xiàn)了64kbps的傳輸速率，后來每位用戶使用成千上萬兆的信息后，語音線路不堪重負，好在光纖技術出現(xiàn)了。設備供應商之間的競爭使得傳輸成本急劇下跌，1993年，DWDM技術出現(xiàn)前，每秒鐘在一公里長的距離內傳輸1GB信息量的成本為2000美元，到2007年，該數(shù)字已經不足1美元，其發(fā)展速度已令摩爾定律失色。
　　DWDM技術從正式部署到今天已經有13年歷史，但是，它目前卻好像停止了曾經在電信發(fā)展史上創(chuàng)造過奇跡的指數(shù)級增長，步入了青春期的消沉。分析師指出，如果下一個5年內整個系統(tǒng)不出現(xiàn)指數(shù)級的擴張，那么DWDM的幾何式增長也將難以維系。難道在光纖通信市場，摩爾定律的影響終結了嗎？
　　在過去的歲月中，DWDM的成功依賴于多樣化的創(chuàng)新，例如光纖放大器和光分插復用器(OADM)等，還包括激光、測波器、過濾器等多種技術的進步以及各種系統(tǒng)軟件的創(chuàng)新，他們都讓系統(tǒng)獲得了更高的容量，并提高了運營的靈活性。
　　殘酷的競爭使得10G網絡的成本不斷降低，也迫使DWDM在13年里不斷提高成本表現(xiàn)，盡管在此期間光纖系統(tǒng)的研發(fā)投資和元器件創(chuàng)新的投資都相對較低。同時，本世紀開始幾年中，電信行業(yè)泡沫的破裂導致主要市場的支出銳減，整個行業(yè)都在療傷。那段時間內對研發(fā)投資的削減帶來的后果是：更具成本效益的40G技術的部署和商用被推遲了。
　　不過，市場最終還是選擇了40G技術。最有可能在近期實現(xiàn)傳輸成本效益的指數(shù)級增長的就是40G網絡技術，該技術提供的帶寬是現(xiàn)有10G網絡的4倍，而capex卻只有四分之一，性能表現(xiàn)也絲毫不遜色。雖然Ovum咨詢公司認為這種規(guī)模的成本削減在2012年前不太可能實現(xiàn)，但鑒于過去幾年中對該項技術的投資劇增，奇跡還是有可能出現(xiàn)的。
　　2008年已經推出和即將推出的40G技術創(chuàng)新包括：北電網絡研發(fā)的技術，提供了目前市場上最佳的性能，并有著向100G技術演進的清晰路線；Opvista技術，對推動40G技術在城域網中的使用有明顯的優(yōu)勢；由Stratalight、Mintera和其他公司共同研發(fā)的標準化40G模塊技術也取得了進展。光纖技術供應商Infinera公司也在努力通過40G技術創(chuàng)新解決成本、容量和傳輸距離之間的矛盾，預計將在今年晚些時候或明年發(fā)布新技術。
　　同時，網絡運營商和設備供應商還將推動100G技術的創(chuàng)新，從而將延續(xù)DWDM的成功，并滿足全球用戶對通信服務越來越多的渴望。

   

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