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摩尔定律

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图中电脑处理器晶体管数目的指数增长曲线匹配摩尔定律

摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔提出来的。其内容为:集成电路上可容纳的电晶体晶体管)数目,约每隔24个月便会增加一倍;经常被引用的“18个月”,是由英特尔首席执行官大卫·豪斯所说:预计18个月会将芯片的性能提高一倍(即更多的晶体管使其更快)。[1]

半导体行业大致按照摩尔定律发展了半个多世纪,对二十世纪后半叶的世界经济增长做出了贡献,并驱动了一系列科技创新,社会改革,生产效率的提高和经济增长。个人电脑,因特网,智能手机等技术改善和创新都离不开摩尔定律的延续[2]

尽管这种趋势已经持续了超过半个世纪,摩尔定律仍应该被认为是观测或推测,而不是一个物理或自然法。预计摩尔定律将持续到至少2015年或2020年。[3]然而,2010年国际半导体技术发展路线图的更新增长已经在2013年年底放缓[4];之后的时间里,晶体管数量密度预计只会每三年翻一倍。

发展历程与未来展望[编辑]

过去的发展历程[编辑]

随着器件尺寸越来越接近物理极限,研发新一代的工艺节点时,仅缩小器件尺寸是不够的。多家研究机构和半导体公司都在试图改善晶体管结构设计,以尽可能地延续摩尔定律。

高介电常数(high-k)闸极介电层(gate dielectric)的出现使得栅极对电流的控制更有效,从45nm节点开始被采用。[5]

多闸极晶体管栅极对电流的控制从沟道的一个表面增加到了三个表面,从22nm节点开始被采用。 [6]

左图为纳米线晶体管计算机仿真曲线。临界电压在0.45V左右。右图展现的纳米线MOSFET中反型沟道的形成(电子密度的变化)。

未来展望[编辑]

为了让摩尔定律延续到更小的器件尺度,学术界和工业界在不同的材料、器件结构和工作原理方面的探索一直在进行中。

探索的问题之一是晶体管的栅极设计。随着器件尺寸越来越小,能否有效的控制晶体管中的电流变得越来越重要。相比于三面都有栅极的多闸极晶体管纳米线晶体管将栅极四面围住,从而进一步改善了栅极对电流的控制。

摩尔定律还能持续多久[编辑]

随着新工艺节点的不断推出,晶体管中原子的数量已经越来越少,种种物理极限制约着其进一步发展。比如当栅极长度足够短的时候,量子隧穿效应就会发生,会导致漏电流增加。关于摩尔定律的终点究竟还有多远,看法并不一致。有预测认为摩尔定律的极限将在2025年左右到来,但也有更乐观的预测认为还能持续更久。[7][8][9]

概述[编辑]

1965年4月19日,《电子学》杂志(Electronics Magazine)第114页发表了摩尔(时任仙童半导体公司工程师)撰写的文章〈让集成电路填满更多的组件〉,文中预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。

1975年,摩尔在IEEE国际电子组件大会上提交了一篇论文[10],根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正,把“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”,而现在普遍流行的说法是“每18个月增加一倍”。但1997年9月,摩尔在接受一次采访时声明,他从来没有说过“每18个月增加一倍”,而且SEMATECH路线图跟随24个月的周期。

大抵而言,若在相同面积的晶圆下生产同样规格的IC,随着制程技术的进步,每隔一年半,IC产出量就可增加一倍,换算为成本,即每隔一年半成本可降低五成,平均每年成本可降低三成多。就摩尔定律延伸,IC技术每隔一年半推进一个世代。

摩尔定律是简单评估半导体技术进展的经验法则,其重要的意义在于长期而言,IC制程技术是以一直线的方式向前推展,使得IC产品能持续降低成本,提升性能,增加功能。

1998年时,台积电董事长张忠谋曾表示,摩尔定律在过去30年相当有效,未来10到15年应依然适用。[11]

但最新的一项研究发现,“摩尔定律”的时代将会结束,因为研究和实验室的成本需求十分高昂,而有财力投资在创建和维护芯片工厂的企业很少。[12]而且制程也越来越接近半导体的物理极限,将会难以再缩小下去。

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85美分,IBM709降到17美分,而60年代中期IBM耗资50亿研制的IBM360系统电脑已变为3.0美分。

摩尔定律的定义归纳起来,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个月就翻一倍。
  2. 微处理器的性能每隔18个月提高一倍,或价格下降一半。
  3. 用一个美元所能买到的电脑性能,每隔18个月翻两倍。

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“翻倍”的周期都是18个月;至于翻倍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。

另一种说法[编辑]

摩尔定律虽然以戈登·摩尔的名字命名,但最早提出摩尔定律相关内容的并非摩尔,而是加州理工学院教授卡弗·米德(Carver Mead)。米德是最早关注到摩尔定律所提出的晶体管之类的产量增加,就会引起其价格下降的现象。米德指出,如果给定价格的电脑处理能力每两年提高一倍,那么这一价位的电脑处理装置同期就会降价一半。[13]

参考来源[编辑]

外部链接[编辑]