摩尔定律与计算机

摩尔定律与计算机

摩尔定律的来历

摩尔定律是指集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。“摩尔定律”是由英特尔名誉董事长戈登·摩尔提出来的。

　　1965年，戈登·摩尔在准备一个关于计算机存储器发展趋势的报告时，整理了一份数据资料，结果却意外的发现了一个惊人的趋势。每个新芯片大体上包含其之前版本的容量的晶体管，而且每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18到24个月内。这个趋势如果继续，计算能力相对于时间周期将会呈指数上升。摩尔的观察资料，就是现在所谓的Moore定律，所阐述的趋势一直延续至今，且仍依然十分的准确。人们还发现这不光适用于对存储器芯片的描述，也精确地说明了处理机能力和磁盘驱动器存储容量的发展。该定律成为许多工业对于性能预测的基础。在过去的三十余年的时间里，芯片上的晶体管数量增加了上万倍，1971年推出的第一款4004仅仅拥有2300个晶体管，而在今天45纳米级的“上海”处理器已经出现。

图 1 摩尔定律示意图

　　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1美元，IBM709降到20美分，而60年代中期IBM耗资50亿研制的IBM360系统电脑已变为3.5美分。到底什么是"摩尔定律'"？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个月就翻一番。

　　2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半。

　　3、用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。

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"翻番"的周期都是18个月，至于"翻一番"（或两番）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。

晶体管是一种简单的开关装置，利用通断路状态来处理0／1电子数据。在栅电极电压的影响下电流从晶体管内通过，而栅电极下存在栅介质，它主要用于隔离栅电极和沟道，保证栅电极间流顺利通过，但栅介质不可避免的漏电现象会影响栅电极间通过的电流，同时导致晶体管发热，这也是晶体管密度难以提升的主要原因之一。

摩尔定律对计算机发展的影响

虽然我们可以通过指令并行、数据并行或者其他技术提高CPU的使用率，但对计算机来说CPU的计算能力是一个硬瓶颈。CPU的能力是计算机能力的根本。摩尔定律就是对计算机计算能力的预言。伴随随着时间的发展，CPU的发展日新月异，AMD在2008年12月推出了号称世界最强的“上海”处理器，相信这个最强也是暂时的。

对于摩尔定律，很多人认为是对计算机发展的一个局限，但我们不妨把它看做是一种鼓励，推动着计算机的发展。不仅仅是在处理器方面，还存在在存储等方面。

当摩尔提出摩尔定律时，集成电路问世刚刚6年。他所在的实验室也只能将50个晶体管和电阻集成在一个芯片上。摩尔当时的预测非常具有前瞻性。在计算机的发展过程中，在摩尔定律提出后的40年中，不断有专家认为芯片集成的速度已经达到极限。不过事实证明，摩尔的预言总是准确的。尽管翻一番的周期已经从最初的12个月增加到了如今的18个月，但“摩尔定律”依然有效。

　　“摩尔定律”归纳了信息技术进步的速度。这40年里，计算机从神秘不可近的庞然大物变成多数人都不可或缺的工具，信息技术由实验室进入无数个普通家庭，因特网将全世界联系起来，多媒体视听设备丰富着每个人的生活。

　　这一切背后的动力都是半导体芯片。如果按照旧有方式将晶体管、电阻和电容分别安装在电路板上，那么不仅个人电脑和移动通信不会出现，基因组研究到计算机辅助设计和制造等新科技更不可能问世。

　　“摩尔定律”还带动了芯片产业白热化的竞争。在纪念这一定律发表40周年之时，作为英特尔公司名誉主席的摩尔说：“如果你期望在半导体行业处于领先地位，你无法承担落后于摩尔定律的后果。”从昔日的仙童公司到今天的英特尔、摩托罗拉、先进微设备公司等，半导体产业围绕“摩尔定律”的竞争像大浪淘沙一样激烈。

　　毫无疑问，“摩尔定律”对整个世界意义深远。在回顾40年来半导体芯片业的进展并展望其未来时，信息技术专家们说，在今后几年里，“摩尔定律”可能还会适用。但随着晶体管电路逐渐接近性能极限，这一定律终将走到尽头。“摩尔定律”何时失效？专家们对此众说纷纭。

　　美国惠普实验室研究人员斯坦·威廉姆斯说，到2010年左右，半导体晶体管可能出现问题，芯片厂商必须考虑替代产品。英特尔公司技术战略部主任保罗·加吉尼则认为，2015年左右，部分采用了纳米导线等技术的“混合型”晶体管将投入生产，5年内取代半导体晶体管。还有一些专家指出，半导体晶体管可以继续发展，直到其尺寸的极限——4到6纳米之间，那可能是2023年的事情。

　　专家们预言，随着半导体晶体管的尺寸接近纳米级，不仅芯片发热等副作用逐渐显现，电子的运行也难以控制，半导体晶体管将不再可靠。“摩尔定律”肯定不会在下一个40年继续有效。不过，纳米材料、相变材料等新进展已经出现，有望应用到未来的芯片中。到那时，即使“摩尔定律”寿终正寝，信息技术前进的步伐也不会变慢。

摩尔定律的终结

英特尔合伙创始人戈登•摩尔曾说，摩尔定律一直在与时俱进，但终将遭遇有效的极限。这与因特尔公司提出的摩尔定律将在2020年左右达到极限的说法不谋而合。

摩尔定律之外的“遗忘”危机

摩尔定律影响了计算机的发展，不仅仅是在性能提升上。从另一个方面讲，计算机性能的提升直接影响了人类社会的发展。当“知识爆炸”深入人心的时候，人们开始接受，我们所有知识总量正在越来越快的增长，甚至有人说每73天就会翻一番。这样的断言虽然有些令人难以置信，但从另一个方面也反映了当代知识总量指数的增长。知识总量的增长，首先得益于计算机和互联网的发展，但同时对存储，计算提出了新的要求。存储决定了我们有多少知识可以保存下来。我个人，认为计算能力对知识的生成和翻新有重要的作用，假设知识总量的函数如图。

图 2 知识总量增长示意图

当我们计算能力和存储能力的提高无法和知识总量增长相匹配时，可怕的事情就会发生，人类会出现集体性遗忘，总会有很多知识或者说信息被我们所遗忘。遗忘是很可怕的事情，如果被遗忘的是有用的信息，会更可怕。

当单个计算机性能按照摩尔定律进行提升时，我们可以通过简单的演算得到要是人类全体计算能力提高，还要增加计算机的数量，随着时间的推移，由于空间等因素计算机的数量会成为瓶颈，如果计算能力依然按照摩尔定律提升，那面对同样指数级增长的知识总量，我们会显得力不从心。

       也许不需要太过担心，人类对自己知识的集体性遗忘一直伴随着人类文明发展时，所以才有了考古，所以才有历史考证。

未来的计算

未来的计算将会进入普适的时代。计算将像电力一样成为一种资源。我们只需要一台简单终端就可以无时无刻的享受计算机带来的便利。但真的如此预言，那世界的计算能力提升仅仅需要将类似电厂的计算提供设施升级即可。摩尔定律或许可以找到它的新用处。

 

 

 

[1] Be Absolute for Death: Life after Moore’s Law, ROBERT X. CRINGELY, March 2001/Vol. 44, No.3 COMMUNICATIONS OF THE ACM

[2] Cramming more components onto integrated circuits, Gordon E. Moore, Electronics, Volume 38, Number 8, April 19, 1965

[3] Lithography and the Future of Moore’s Law, Gordon E. Moore, Co-founder, 1995 SPIE Speech

[4] Moore’s Law: Raising the Bar, Gordon Moore, Intel Chairman Emeritus of the Board Speaking of extending Moore’s Law at the International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)

[5] 多核挽救“摩尔定律”，技术应用，王占波

[6] 摩尔定律还能走多远，龚明，现代计算机 2001.6

[7] 让摩尔定律继续伟大，冯磊，信息系统工程 2007.3

[8] 超越摩尔定律，穆强 ，EDN CHINA 2005.4