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據國外媒體報道,1965年,英特爾聯合創始人戈登·摩爾(Gordon Moore)預測,計算機芯片的處理能力每兩年就會翻一番。盡管已經過去40多年,摩爾定律仍然有效。
多年來,英特爾科技和制造集團副總裁邁克·梅佰里(Mike Mayberry)曾不止一次聽到相同的世界末日預言:摩爾定律將會失效。梅佰里甚至聽到過同事這樣說。但是,由于大量像梅佰里這樣的材料科學家不斷找到 使硅晶體管小型化的新途徑和其他替代材料——例如石墨烯,摩爾定律仍然在起作用。
市場研究公司IDC預測,2016年全球芯片銷售額將由今年的3150億美元增長至3800億美元。數十年來,巨額的芯片銷售額吸引芯片研究成果走出實驗室,通過工廠,成為被應用在包括從1960年代的大型主機到2012年的iPhone 5在內的各種產品中的芯片。
摩爾定律的壽命遠遠超過了人們的預期,研究人員的努力使得計算機尺寸越來越小,功能越來越強大。梅佰里說,“如果只使用一成不變的技術,一般來說肯定會遭遇極限。事實上,在過去的40年中,我們每5或7年就會對技術進行大幅改動,因此芯片的處理能力是沒有上限的。”
大量其他產業則沒有這么幸運,超音速商業性飛機、家用聚變反應堆、每加侖汽油能跑1000英里的汽車都還沒有問世。計算產業有其他產業不具備的一個基本靈活性:它處理的對象是數據,而非原子。
芯 片廠商Analog Devices首席技術官薩姆·福勒(Sam Fuller)說,“汽車和飛機處理的是物質世界的對象”,例如乘坐它們的人的大小和質量,“計算和信息處理則不存在這樣的限制,數據不存在大小和質量, 不存在其他產業面臨的限制。計算產業存在不斷向前發展的可能”。
這意味著,即使摩爾定律失效,芯片尺寸不再不斷縮小,還有其他途徑可以提高計算機性能。但是,包括摩爾本人在內的芯片產業樂天派也認為,未來10年后摩爾定律將遇到麻煩。屆時,人們一直預測的物理限制將會顯示出威力。
摩 爾在1965年的一篇論文中稱芯片上集成的晶體管數量每年會翻一番,這就是摩爾定律的雛形。他在1975年的一篇論文中將芯片中集成的晶體管數量翻番的周 期確定為兩年。摩爾2005年表示,“我認為摩爾定律并非是精確的”,但實際上摩爾定律還是相當精確的。目前,英特爾根據摩爾定律確定了產品發布周期,一 年更新芯片架構,下一年更新制造工藝。
世界上第一個晶體管1947年在貝爾實驗室問世。1964年出現了集成約30個晶體管的芯片,尺寸約為4毫米;英特爾的第三代酷睿i7四核芯片集成有14億個晶體管,尺寸為160平方毫米。
晶體管就是一個電子開關,與控制電燈的開關相似,柵極(gate)控制著電流能否由源極(source)流向漏極(drain)。電子流過晶體管在邏輯上記為“1”,不流過晶體管記為“0”。一個芯片上整合的數以百萬計的晶體管就能通過影響相互的狀態來處理信息。
在 目前的芯片中,連接晶體管源極和漏極的是硅元素。硅被稱作半導體,因為它有時是導體,有時是絕緣體。晶體管柵極上的電壓控制著電流能否通過晶體管。為了跟 上摩爾定律的節奏,工程師必須不斷縮小晶體管的尺寸。英特爾目前采用22納米制造工藝,相當于十億分之二十二米,或者人類頭發直徑的四千分之一。相比之 下,英特爾1971年推出的首款芯片4004采用10微米(10000納米)工藝,相當于人類頭發直徑的十分之一。
英特爾Ivy Bridge芯片表明了不斷縮小晶體管尺寸的難度。為了由早期的32納米工藝升級到22納米工藝,英特爾專門開發出了三柵極芯片設計,不但進一步縮小了晶體管尺寸,還降低了能耗。
但是,開發三柵極晶體管并非易事。英特爾研究人員在2002年就開發成功了三柵極晶體管——歷經9年才投入大規模生產。這還不是唯一的挑戰,其他挑戰包括利用金屬制造柵極、使用銅而非鋁線連接晶體管等。
英特爾計劃2013年將制造工藝進一步升級到14納米,然后是10納米、7納米,2019年時升級到5納米。
不斷升級制造工藝的并非只有英特爾。在芯片產業,許多公司依靠合作跟上摩爾定律的發展步伐。利用學術界研究成果、內部開發和業界合作,芯片公司解決了電子隧道效應、電流泄露等大量問題。
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