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摩爾定律

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圖中電腦處理器電晶體數目的指數增長曲線符合摩爾定律

摩爾定律是由英特爾創始人之一戈登·摩爾提出來的。其內容為:集成電路上可容納的電晶體電晶體)數目,約每隔24個月便會增加一倍;經常被參照的「18個月」,是由英特爾行政總裁大衛·豪斯所說:預計18個月會將晶片的效能提高一倍(即更多的電晶體使其更快)。[1]

半導體行業大致按照摩爾定律發展了半個多世紀,對二十世紀後半葉的世界經濟增長做出了貢獻,並驅動了一系列科技創新,社會改革,生產效率的提高和經濟增長。個人電腦,互聯網,智能手機等技術改善和創新都離不開摩爾定律的延續[2]

儘管這種趨勢已經持續了超過半個世紀,摩爾定律仍應該被認為是觀測或推測,而不是一個物理或自然法。預計摩爾定律將持續到至少2015年或2020年。[3]然而,2010年國際半導體技術發展路線圖的更新增長已經在2013年年底放緩[4];之後的時間裏,電晶體數量密度預計只會每三年翻一倍。

發展歷程與未來展望[編輯]

過去的發展歷程[編輯]

隨着器件尺寸越來越接近物理極限,研發新一代的工藝節點時,僅縮小器件尺寸是不夠的。多家研究機構和半導體公司都在試圖改善電晶體結構設計,以儘可能地延續摩爾定律。

高介電常數(high-k)閘極介電層(gate dielectric)的出現使得柵極對電流的控制更有效,從45nm節點開始被採用。[5]

多閘極電晶體柵極對電流的控制從溝道的一個表面增加到了三個表面,從22nm節點開始被採用。 [6]

左圖為納米線電晶體I_{DS}-V_{GS}電腦仿真曲線。臨界電壓在0.45V左右。右圖展現的納米線MOSFET中反型溝道的形成(電子密度的變化)。

未來展望[編輯]

為了讓摩爾定律延續到更小的器件尺度,學術界和工業界在不同的材料、器件結構和工作原理方面的探索一直在進行中。

探索的問題之一是電晶體的柵極設計。隨着器件尺寸越來越小,能否有效的控制電晶體中的電流變得越來越重要。相比於三面都有柵極的多閘極電晶體納米線電晶體將柵極四面圍住,從而進一步改善了柵極對電流的控制。

摩爾定律還能持續多久[編輯]

隨着新工藝節點的不斷推出,電晶體中原子的數量已經越來越少,種種物理極限制約着其進一步發展。比如當柵極長度足夠短的時候,量子隧穿效應就會發生,會導致漏電流增加。關於摩爾定律的終點究竟還有多遠,看法並不一致。有預測認為摩爾定律的極限將在2025年左右到來,但也有更樂觀的預測認為還能持續更久。[7][8][9]

概述[編輯]

1965年4月19日,《電子學》雜誌(Electronics Magazine)第114頁發表了摩爾(時任仙童半導體公司工程師)撰寫的文章〈讓集成電路填滿更多的元件〉,文中預言半導體晶片上整合的電晶體和電阻數量將每年增加一倍。

1975年,摩爾在IEEE國際電子元件大會上提交了一篇論文[10],根據當時的實際情況對摩爾定律進行了修正,把「每年增加一倍」改為「每兩年增加一倍」,而現在普遍流行的說法是「每18個月增加一倍」。但1997年9月,摩爾在接受一次採訪時聲明,他從來沒有說過「每18個月增加一倍」,而且SEMATECH路線圖跟隨24個月的週期。

大抵而言,若在相同面積的晶圓下生產同樣規格的IC,隨着製程技術的進步,每隔一年半,IC產出量就可增加一倍,換算為成本,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。就摩爾定律延伸,IC技術每隔一年半推進一個世代。

摩爾定律是簡單評估半導體技術進展的經驗法則,其重要的意義在於長期而言,IC製程技術是以一直線的方式向前推展,使得IC產品能持續降低成本,提升效能,增加功能。

1998年時,台積電董事長張忠謀曾表示,摩爾定律在過去30年相當有效,未來10到15年應依然適用。[11]

但最新的一項研究發現,「摩爾定律」的時代將會結束,因為研究和實驗室的成本需求十分高昂,而有財力投資在建立和維護晶片工廠的企業很少。[12]而且製程也越來越接近半導體的物理極限,將會難以再縮小下去。

由於高純矽的獨特性,整合度越高,電晶體的價格越便宜,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,一個電晶體要10美元左右,但隨着電晶體越來越小,直小到一根頭髮絲上可以放1000個電晶體時,每個電晶體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85美分,IBM709降到17美分,而60年代中期IBM耗資50億研製的IBM360系統電腦已變為3.0美分。

摩爾定律的定義歸納起來,主要有以下三種版本:

  1. 集成電路晶片上所整合的電路的數目,每隔18個月就翻一倍。
  2. 微處理器的效能每隔18個月提高一倍,或價格下降一半。
  3. 用一個美元所能買到的電腦效能,每隔18個月翻兩倍。

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「翻倍」的周期都是18個月;至於翻倍的是集成電路晶片上所整合的「電路的數目」,是整個「電腦的效能」、還是「一個美元所能買到的效能」,就見仁見智了。

另一種說法[編輯]

摩爾定律雖然以戈登·摩爾的名字命名,但最早提出摩爾定律相關內容的並非摩爾,而是加州理工學院教授卡弗·米德(Carver Mead)。米德是最早關注到摩爾定律所提出的電晶體之類的產量增加,就會引起其價格下降的現象。米德指出,如果給定價格的電腦處理能力每兩年提高一倍,那麼這一價位的電腦處理裝置同期就會降價一半。[13]

參考來源[編輯]

外部連結[編輯]