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【轉貼】一張圖看懂50年摩爾定律:完美契合
奪命小生
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【轉貼】一張圖看懂50年摩爾定律:完美契合

當工程師戈登•摩爾提出摩爾定律的時候,電腦還像冰箱那樣笨重。然而,這條定律最終成為了整個硅谷的基石。50年後的今天,摩爾定律究竟還能撐多久呢?

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以新CPU的發明年份為橫軸,CPU可容納晶體管數目的對數為縱軸作圖,所有的點近似成一條直線,意味著晶體管數目隨年份呈指數變化,每兩年翻一番。圖片來源:Wikipedia

硅谷50年:摩爾的奇蹟

當工程師戈登•摩爾提出摩爾定律的時候,電腦還像冰箱那樣笨重。然而,這條定律最終成為了整個硅谷的基石。

摩爾當時36歲,是仙童半導體公司的研發主管。他在一本行業雜誌上發表了篇文章,稱在未來的10年內計算機芯片的複雜度每年都會翻一番,而不需要附加成本。1975年,根據工業的研究進展,他把自己的預測更改為每兩年翻一番。

而在這過去的50年中,芯片製造商大量湧現,整個硅谷由此而生,無疑是對他的話的最好證明。

「摩爾定律就是硅谷的脈搏,它帶領著硅谷以史詩般的速度前進,並成為全世界的先驅。」技術顧問Rob Enderle如是說。

摩爾的預測迅速地變成了芯片公司們的金科玉律:忽視摩爾定律的公司紛紛被淘汰,緊隨它的公司則越來越強大富有——摩爾本人參與建立的英特爾公司(Intel)就是其中之首。

多虧有了摩爾定律,我們今天才能把智能手機放在口袋或錢包裡,今天智能手機的性能比1965-1995年裡最大的電腦還要強勁。沒有摩爾定律就沒有超薄筆記本電腦,也不可能產生足以繪製整個基因組、或是設計複雜藥物的高性能計算機。流媒體視頻、社交媒體、搜索功能、雲——沒有摩爾定律,這些都不可能產生。

「摩爾定律是整個信息時代的驅動力,」著名高速存儲器生產開發商蘭巴斯公司的首席科學家Craig Hampel說,「沒有摩爾定律,就沒有如今廉價的處理器,如今硅谷99%的公司也就不會存在了。」

要麼跟隨摩爾定律,要麼就死

1964年,《電子學》雜誌邀請摩爾為他們1965年4月刊寫一篇文章,討論集成電路的未來。

集成電路是承載著很多小「開關」(即晶體管)的硅片,它是數字時代的基本構件。集成電路上能承載的晶體管越多,就意味著它們的性能越好。

摩爾觀察了半導體製造業中晶體管逐漸小型化的趨勢,發現每隔固定的一段時間集成電路上的晶體管數目就能加倍。他找了張坐標紙,畫了一條線代表每張芯片上晶體管的數量,這條線像導彈一樣直升而上,在至少10年內每年都能翻番。

在那一瞬間他明白了接下來會發生什麼,哪怕別的人對此還無知無覺。

在文章中他寫道:「集成電路會帶來一系列的奇蹟:家用計算機(或者是連接到中央計算機的終端)、汽車自動控制系統,以及便攜的通訊設備。」

加州理工學院教授Carver Mead把這條定律命名為摩爾定律。隨著各大公司爭相生產最強勁的芯片,摩爾定律逐漸成了鑑定芯片公司能否存活的標誌:要麼每年把芯片上的晶體管數提高一倍,要麼就死。

如今已86歲的摩爾在接受英特爾公司的採訪時說:「一開始我只是想記錄一下集成電路的發展歷史,沒想到它漸漸受到業內各大公司認可,每個公司都得想辦法達到這樣的速度,落後就要挨打。」

摩爾定律也降低了電子設備的價格。隨著科技的進步,把越來越多的晶體管做到芯片裡也不再昂貴。若非如此,現在集成電路也只是軍方和有錢人才能擁有的產品。英特爾的第一代微處理器(又叫單片機)包含2 300個晶體管,價格超過500美元;而現在的英特爾酷睿i5處理器包含超過10億個晶體管,價格才276美元。

「那才是我的真正目標:告訴大家我們的技術能讓電子設備越來越便宜。」摩爾說。

而摩爾定律所涉及的領域,遠遠不止個人科技產品。

「摩爾定律最神奇之處並不是它帶來了iPhone,」加州聖克拉拉市VLSI Research公司的G. Dan Hutcheson說,「在最近的20年裡,每開發出一種新藥都需要計算機來對分子進行模擬。如果沒有計算技術的幫助,我們絕無可能合成這麼多藥物,DNA分析、基因組學也都不會存在——你根本就沒法做基因檢測。這一切歸根結底都是晶體管的功勞。」

Hutcheson認為,摩爾的這個預測並不僅僅是一個「自我實現的預言」。他已經預見到隨著時間推移,光學、化學和物理學會通力合作,在不提高附加成本的情況下把晶體管變得越來越小。

摩爾定律還能撐多久?

當晶體管小到如今的程度,遵守摩爾定律就越來越困難了。

10年之前,晶體管尺寸的縮小帶來了過熱的問題,導致每一代新芯片出現時性能不再有顯著的提升了。對此,公司採取了「多核計算機」的方法來應對,即往每台電腦中裝多個處理器。

「很多人也開始在硅芯片上尋找其他新方法來提高性能,以延續摩爾定律的預言。」這是IBM阿爾馬登研究中心的科學技術主任Spike Narayan說的。

在一年半之前,更糟糕的事情發生了:連接晶體管的導線越來越細,以至於它們的電阻過大,無法承載足夠的電流。Narayan說,「這可真是個大問題。」

「所以現在的材料研究和創新才這麼熱——大家都在尋找新的材料和結構用來製造芯片呢。」

而阻擋摩爾定律的另外一個因素,就是芯片縮小,它們消耗的能量也隨之上升。「極光」(Aurora)超級計算機的首席設計師Alan Gara也說:「我們最大的挑戰就是能效問題。」該超級計算機是英特爾公司為芝加哥附近的阿爾貢國家實驗室而造的。

英特爾表示,他們已經找到一種新的途徑,以在接下來的10年裡延續摩爾定律所預言的增長。英特爾公司的資深研究者Mark Bohr說,下一代處理器正處於「完整開發模式」,Bohr帶領的團隊正是決定每一代英特爾芯片如何製造的那一群人。Bohr正在緊鑼密鼓開發的下一代芯片,其中的晶體管已經縮小到了7納米——要知道人類頭髮的平均直徑足有25 000納米。

加州大學伯克利分校的電子工程與計算機科學家胡正明(Chenming Hu)說,摩爾定律所預言的指數增長到某個時間點必定會放緩。他是一代晶體管結構設計的領軍人物,也為摩爾定律的延續作出了貢獻。

「公司為了掌握更高的市場份額、擊敗競爭對手,必須要拚命把產品性能翻一番甚至翻兩番,這些都是可以理解的,也正是他們的努力使得電子產業取得了如此的高速發展。」胡正明說,「然而,沒有哪一種指數增長是可以一直延續下去的。」

胡正明表示,很可能從某一個時間點開始,每兩年翻一番的速度就會放緩到每四年到五年翻一番。

「而那可能是個更好的結果——與其燦爛無比又一閃而逝,穩定而緩慢的增長顯然是更好的。」

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2015/7/28 上午 11:31:42

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