http://www.mlyearning.org/
摩爾定律(Moore's Law)
目錄[隱藏] |
[編輯]
電腦第一定律——摩爾定律Moore定律1965年，戈登·摩爾（Gordon Moore）準備一個關於電腦存儲器發展趨勢的報告。他整理了一份觀察資料。在他開始繪製數據時，發現了一個驚人的趨勢。每個新晶元大體上包含其前任兩倍的容量，每個晶元的產生都是在前一個晶元產生後的18-24個月內。如果這個趨勢繼續的話，計算能力相對於時間周期將呈指數式的上升。Moore的觀察資料，就是現在所謂的Moore定律，所闡述的趨勢一直延續至今，且仍不同尋常地準確。人們還發現這不光適用於對存儲器晶元的描述，也精確地說明瞭處理機能力和磁碟驅動器存儲容量的發展。該定律成為許多工業對於性能預測的基礎。在26年的時間里，晶元上的晶體管數量增加了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。
由於高純硅的獨特性，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，直小到一根頭髮絲上可以放1000個晶體管時，每個晶體管的價格只有千分之一美分。據有關統計，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50億研製的IBM360系統電腦已變為3.5美分。
後來人們對它進行歸納，主要有以下三種"版本"：
- 1、集成電路晶元上所集成的電路的數目，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，至於"翻一番"（或兩番）的是"集成電路晶元上所集成的電路的數目"，是整個"電腦的性能"，還是"一個美元所能買到的性能"就見仁見智了。
[編輯]
摩爾定律產生
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，緊接著於1961年又推出了平面型集成電路。這種平面型製造工藝是在研磨得很平的矽片上,採用一種所謂"光刻"技術來形成半導體電路的元器件，如二極體、三極體、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，從而具有極大的發展潛力。因此平面工藝被認為是"整個半導體工業鍵"，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實驗室主任的摩爾應邀為《電子學》雜誌35周年專刊寫了一篇觀察評論報告，題目是："讓集成電路填滿更多的元件"。摩爾應這家雜誌的要求對未來十年間半導體元件工業的發展趨勢作出預言。據他推算，到1975年，在面積僅為四分之一平方英寸的單塊硅晶元上，將有可能密集65000個元件。他是根據器件的複雜性（電路密度提高而價格降低）和時間之間的線性關係作出這一推斷的，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。可以確信，短期內這一增長率會繼續保持。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，儘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。"這就是後來被人稱為"摩爾定律"的最初原型。
摩爾定律修改
1975年；摩爾在國際電信聯盟IEEE的學術年會上提交了一篇論文，根據當時的實際情況，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）一名編輯採訪時的說法，他當年是把"每年翻一番"改為"每兩年國一番"，並聲明他從來沒有說過"每18個月翻一番"。
然而，據網上有的媒體透露，就在摩爾本人的論文發表後不久，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"，有人甚至列出瞭如下的數學公式：（每晶元的電路增長倍數）=2（年份-1975）/1.5。這一說法後來成為許多人的"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"還是後來修正的"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"並非摩爾本人的說法！
摩爾定律的驗證
摩爾定律到底準不准？讓我們先來看幾個具體的數據。1975年，在一種新出現的電荷前荷器件存儲器晶元中，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Intel公司公佈的統計結果，單個晶元上的晶體管數目，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，晶元上集成的元件數應提高2n倍（0≤n≤12），因此到第13個周期即26年後元件數應提高了212＝4096倍，作為一種發展趨勢的預測，這與實際的增長倍數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。可見從長遠來看，還是摩爾本人的說法更加接近實際。
也有人從個人電腦（即PC）的三大要素--微處理器晶元、半導體存儲器和系統軟體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，每一次更新換代都是摩爾定律的直接結果。與此同時PC機的記憶體儲器容量由最早的480k擴大到8M，16M，與摩爾定律更為吻合。系統軟體方面，早期的電腦由於存儲容量的限制，系統軟體的規模和功能受到很大限制，隨著記憶體容量按照摩爾定律的速度呈指數增長，系統軟體不再局限於狹小的空間，其所包含的程式代碼的行數也劇增：Basic的源代碼在1975年只有4,000 行，20年後發展到大約50萬行。微軟的文字處理軟體Word，1982年的第一版含有27,000行代碼，20年後增加到大約200萬行。有人將其發展速度繪製一條曲線後發現，軟體的規模和複雜性的增長速度甚至超過了摩爾定律。系統軟體的發展反過來又提高了對處理器和存儲晶元的需求，從而刺激了集成電路的更快發展。
這裡需要特別指出的是，摩爾定律並非數學、物理定律，而是對發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，所以才會得到業界人士的公認，並產生巨大的反響。
摩爾定律的變種
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，集成電路晶元的性能的確得到了大幅度的提高；但另一方面，Intel高層人士開始註意到晶元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》雜誌上撰文寫道："現在令我感到最為擔心的是成本的增加，…這是另一條指數曲線"。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專業媒體上又出現了"新摩爾定律" 的提法，則指的是我國Internet聯網主機數和上網用戶人數的遞增速度，大約每半年就翻一番！而且專家們預言，這一趨勢在未來若幹年內仍將保持下去。
摩爾定律的終結
摩爾定律問世至今已近40年了。人們不無驚奇地看到半導體晶元製造工藝水平以一種令人目眩的速度提高。目前，Intel的微處理器達晶元Pentium 4的主頻已高2G（即12000M），2011年則要推出含有10億個晶體管、每秒可執行1千億條指令的晶元。人們不禁要問：這種令人難以置信的發展速度會無止境地持續下去嗎？不需要複雜的邏輯推理就可以知道：晶元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，晶元單位面積上可集成的元件數量會達到極限。問題只是這一極限是多少，以及何時達到這一極限。業界已有專家預計，晶元性能的增長速度將在今後幾年趨緩。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，隨著矽片上線路密度的增加，其複雜性和差錯率也將呈指數增長，同時也使全面而徹底的晶元測試幾乎成為不可能。一旦晶元上線條的寬度達到納米（10-9米）數量級時，相當於只有幾個分子的大小，這種情況下材料的物理、化學性能將發生質的變化，致使採用現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。
發表文章
