摩尔先生以及巧克力工厂

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什么是摩尔定律？摩尔在1965年文章中指出，芯片中的晶体管和电阻器的数量每年会翻番，原因是工程师可以不断缩小晶体管的体积。这就意味着，半导体的性能与容量将以指数级增长，并且这种增长趋势将继续延续下去。1975年，摩尔又修正了摩尔定律，他认为，每隔24个月，晶体管的数量将翻番。这篇文章发表的时候，芯片上的元件大约只有60种，而现在，英特尔最新的Itanium芯片上有17亿个硅晶体管。尽管这一定律后来成为里程碑似的东西，但这篇文章当时并没有放在首要位置，文章所在的页码是114页。摩尔最近说："当时，你不会想把这种东西放入你的档案中的，我当时没有想到它会如此的精确。"为什么是硅？这是一个材料科学上奇迹。硅是是一种很好的半导体(它能够导电，但同时也可以控制的方式进行的)，尽管收缩，硅的晶体结构仍然能保持完整。摩尔定律现在失效了吗？没有，尽管很多分析师与企业的官员已经放言摩尔定律将过时，但它可能仍然发挥作用。一些人，比如惠普实验室的 Stan Williams与Phil Kuekes认为，到2010年，晶体管的收缩将成为一个问题。因此，厂商需要找到新的替代材料，比如惠普的"交叉开关"(crossbar switches)。另外一些人，比如英特尔的科技战略部主任 Paolo Gargini则宣称，到2015年，制造商们才开始转向混合芯片(hybrid chips)，比如结合了传统晶体管元素与新出现材料，比如纳米线的芯片。到 2020年，新型芯片才会完全投入使用。从理论的角度讲，硅晶体管还能够继续缩小，直到4纳米级别生产工艺出现为止，时间可能在2023年左右。到那个时候，由于控制电流的晶体管门(transistor gate) 以及氧化栅极(gate oxide)距离将非常贴近，因此，将发生电子漂移现象(electrons drift)。如果发生这种情况，晶体管会失去可靠性，原因是晶体管会由此无法控制电子的进出，从而无法制造出1和0出来。(注：纳米是衡量芯片的体积单位。一纳米是一米的十亿分之一。目前的芯片一般使用90纳米工艺制造。)如果失效会怎样？很难讲。如果替代晶体管的材料永远找不到，摩尔定律便会失效。如果替代材料出现了，那么类似摩尔定律的规律将仍然出现。最好的替代材料是什么？天知道？碳纳米管，硅纳米线晶体管，分子开关(molecular crossbars)，相态变化材料( phase change materials)，自旋电子(spintronics)目前都处于试验阶段。尽管硅有局限性，但制造商与设计师们仍然喜欢这种材料。硅将继续出现在某些设备当中。摩尔表示："我认为，硅技术仍然是制造复杂微结构及材料的基本方法。"谁提出了摩尔定律？加州理工学院的教授Carver Mead也参与了摩尔定律的提出。摩尔表示，20年来，他对人们称他为摩尔定律创始人的做法受之有愧。英特尔的前官员David House曾经推断说，晶体管的数量每18个月翻番。实际上，芯片的性能每隔18个月翻番一次。摩尔强调说，他从；从来没有说过18个月。摩尔定律不适合于硬盘驱动器的容量或者其它设备之上。摩尔开玩笑的说："摩尔定律已经被应用于任何呈现指数级增长的东西上面，我很高兴因此而获得好评。"翻番有何用途？晶体管数量翻倍带来的好处可以总结为：更快，更小，更便宜。根据摩尔定律，芯片设计师的主要任务便是缩小晶体管的大小，然后让芯片能够容纳越多的晶体管。晶体管的增加可以让设计师为芯片添加更多的功能，比如3D显卡，从而节约成本。晶体管的增加也能够让设计师将精力放在依靠芯片的总体性能上。由于新旧芯片的体积一一样，因此新款芯片的成本与旧款芯片一样。另外，小的晶体管意味着电子不需要传得过远，从而提升了芯片的性能。摩尔定律如何影响实际产品？摩尔定律让生产找到了提升其产品性能的途径。18年前，"华尔街"这部电影里面的麦克尔道格拉斯拿的手机象一块砖，而现在，晶体管数量的增加让多功能手机得以出现，电视，7百万象素照相机，MP3 音乐播放器都能够融于小小的一只手机当中。功能更加强大，价格更加便宜的芯片让软件开发商们得以开发出既时通讯，3D游戏以及网页浏览器这样的东西。技术难点在哪里？将电流弄进晶体管相当困难，晶体管会发热，这是一个问题。一些晶体管结构，譬如氧化栅极，仅有几个原子那么薄，因此很容易漏电。硅的出路在何方？趋势是将硅应用到新地方。未来几年，各种才起步的公司希望在墙壁上，家具中甚至野生动物身上嵌入传感器。微流体芯片(Microfluidics Chip)可以让医生用笔记本电脑获知许多病人的身体状况。经济方面的影响有哪些？仅有几个行业会受此影响。汽车制造商们已经表示将会改造汽车内部的茶托(cup holders )以及汽车的外形，因为汽车的引擎不会朝令夕改。摩尔定律对于经济健康吗？是也不是。专门衡量摩尔定律的一个规则叫做Rock定律。Rock定律说，芯片工厂的组装成本每四年会翻番。现在，新的组装工厂会耗资数十亿美元。出于成本原因，绝大多数的芯片公司现在并不拥有组装工厂。华尔街的分析师，未来学家，甚至芯片企业的官员一直在表示，高昂的成本将终结或者减弱摩尔定律的使用。摩尔还做了哪些别的预测？摩尔还是预测过家用电脑以及电子表。 上个世纪70年代初，在电子学杂志的，摩尔还预测了"奥弗辛斯基效应应用电子标准内存"(Ovonics Unified Memory)。并不是摩尔说的每样东西都变为了现实。他曾经预测说，现在的晶圆(wafers)直径会达到56英寸，现在的晶圆直径已经突破了12英寸。麦特卡夫定律以太网的发明人鲍勃·麦特卡夫告诉我们：网络价值同网络用户数量的平方成正比，即 N 个联结能创造 N2 的效益。如果将机器联成一个网络，在网络上，每一个人都可以看到所有其他人的内容。