【要闻】微电脑世界：摩尔定律不惑之年

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在摩尔定律的驱使下，39年后的今天，疲惫的余地产生了新的疑问。 摩尔定律会带来什么？ 只是速度、容量和性能提高了吗？

公司精心构建的新闻系统硬件平台在几年后失去了更新到兼容平台的机会，被迫升级吗？ 因此，人们徘徊。

人们乐意购买的电脑总是在两三年后被淘汰吗？ 因此，人们感到困惑。

电脑越来越快了，只有这样体验吗？ 因此，人们反省。

两个诺奖

摩尔既不是晶体管的发明者，也不是集成电路的发明者，他是他们的朋友。

摩尔曾经为晶体管发明者之一william b. shockley工作。 shockley设计的晶体管比联合发明者贝尔电话实验室的john bardeen和walter brattain在1947年设计的晶体管更容易制造，而shockley在1956年获得诺贝尔物理奖后，是第一个便宜的晶体管

志同道合，摩尔和同事robertnoyce等8人离开shockley，共同成立了妖精童( fairchild )半导体企业。 shockley的公司后来合并了，破产了。 这是诺奖的荣誉吗？ 值得深思。

1958年德克萨斯仪器( ti )企业jack kilby发明了第一个集成电路，那只是用独立晶体管精密焊接但不能批量生产的集成电路理论模型。 1959年，当时在妖精童企业的bob noyce发明了第一个真正意义上的平面集成电路，1961年实现了批量生产。

如果晶体管结束了电子管时代，集成电路的发明打开了半导体时代，为当今it产业的迅速发展奠定了基础。 晶体管发明不久就达到了电路密度迅速发展的极限，大多使用独立的晶体管设计，因此噪声电路的制造变得困难。 平面集成电路的发明处理了许多噪声电路的制造问题，可以在一个半导体上制造多个晶体管。 集成电路的密度至今仍在提高，写下了it的迅速发展史。

但是，平面集成电路的发明者noyce和同事们当时也没有意识到集成电路的发明是it历史的丰碑，很难想象集成电路会在年产值超过千亿美元的今天迅速发展。 有些人认为当时这些it精英视野狭窄，戏剧性的是，2000年的诺贝尔物理奖只授予jack kilby，是无法制造的集成电路的发明者。

从1961年开始几年后，集成电路迅速启动。 1965年，当时仙童企业研究开发实验室主任摩尔意识到集成电路设计和制造迅速发展的潜力，并提出了著名摩尔定律，认为集成电路的密度约每两年翻一倍。

诺奖似乎不太重视科学技术的现实意义。 转化为生产力，误解了什么？ 摩尔定律反而为人们指明了方向，鼓励半导体生产制造行业的创新和高速发展。 当然摩尔不会获得诺奖。

1968年掌握在美国东海岸投资企业手中的仙童企业发生了激烈的人事变动，创新成果面临着埋没的危机。 两个妖精企业的技术明星noyce和摩尔于那一年离开并成立了英特尔。 第二年，仙童企业的销售

销售明星sanders也退休创办了amd。

这就是硅谷效应的快速发展模式。 所有伟大的创新都会诞生一个或多个伟大的企业。 后来，崛起于硅谷，富有创新机制和实用精神的西海岸企业，摩尔定律在解决器、内存等行业一步步快速发展，创造了it行业的辉煌起点。

今天摩尔定律

摩尔定律属于谁？

摩尔定律属于it产业。

但是英特尔以推进摩尔定律的迅速发展为己任。 这是因为摩尔不仅是英特尔的共同创始人，而且英特尔是半导体产业的领导者之一，所以其命运与摩尔定律的迅速发展密切相关。

除了英特尔，还有很多公司对摩尔定律的迅速发展做出了贡献，例如ibm、amd和ti，以及许多不为人知的中小企业。 我可能不想提到摩尔定律。 因为摩尔毕竟是竞争对手英特尔的创始人。

摩尔定律不总是正确的。

在2003年的isscc大会上，摩尔本人指出了摩尔定律中的一个错误。 也就是说，晶片尺寸的迅速发展并不是根据摩尔定律在2003年迅速发展到53英寸，现在只是迅速发展到12英寸( 300mm )。

摩尔定律不会无限期持续下去。 什么时候结束？

摩尔认为摩尔定律不总是正确的，但似乎总是持续。

2004年2月23日，英特尔企业首席执行官贝雷特在东京的全球新闻峰会上表示，摩尔定律将在接下来的15~20年内继续有效。

现实中摩尔定律面临着挑战。

据说半导体产业缩小芯片尺寸、提高集成度的过程，像登山和攀岩一样，越高越可怕。

事实上，在面对新材料和新结构的集成设计中，很多人失去了信心。 半导体行业偶尔出现的新发明和新成果继续鼓舞着人们。

半导体制造工艺达到10nm时，绝缘层厚度达到分子水平，电子因量子效应而短路。 届时将是摩尔定律的结束。

摩尔定律是否从终点到达另一个起点，在光学计算、生物计算、量子计算、分子计算技术成熟之前不能回答。

在这里，我们更关心今天摩尔定律是如何迅速发展的。

挑战和疑问

漏电率和功耗

众所周知，泄漏现象和热消耗问题多年来是半导体领域“摩尔定律”前进的障碍，现在这个问题开始凸现。

ibm微电子部的高性能逻辑技术主任jeff welser说:“抑制漏电流第一次成为我们的主要问题，迄今为止我们解决了漏电流的问题，但总是次要问题而不是主要问题。”

2003年摩尔本人对摩尔定律提出疑问的主要原因是半导体生产工艺在0.18 m后漏电率迅速上升，0.13 m后变得更严重。 漏电率急速上升现象的出现，

90nm、65nm以后的半导体生产工艺，特别是需要高速运转的cpu生产工艺面临着严峻的课题。

根据现在漏电率的上升速度，将来的cpu温度会变高。 以前cpu过热的风扇喜欢表现为“摊鸡蛋”，但实际上今后5年内并不在此之上，cpu核心温度达到核反应堆和火箭推进器的程度，散热价格无法承受一般客户。 另外，笔记本电脑和pda等移动计算设备也不能支持如此高的功耗。

新材料的使用是处理漏电问题的关键。 世界各地的研究者根据下一代半导体生产工艺的要求判断各种化学元素的组合方案。 高介电常数( high-k )材料、金属栅极、应变硅是各制造商处理半导体泄漏率上升的关键。

2003年11月4日，英特尔宣布在2007年45nm的制造工艺中，批量生产芯片使用高介电常数( high-k )材料和金属栅极( gate electrode )代替二氧化硅( sio2)和多晶硅。 与以往的二氧化硅相比，新材料减少泄漏的能力提高了100倍以上，处理了泄漏率上升的问题，在某种程度上也处理了功耗的问题。

amd在2003年也宣布2005年量产应变硅、soi、金属栅电极，之后计划使用高介电常数材料和立体结构晶体管。

立体结构晶体管是加利福尼亚大学伯克利分校的教授在学术研究中提出的，经过英特尔和amd等大型半导体企业的试验，也被称为三门晶体管。 通过从以往传递的平面晶体管结构转移到立体结构晶体管，可以改变薄膜配置控制晶体管的升级法则。 此外，通过组合晶体管体偏压技术，可以抑制漏电和功耗的问题。

摩尔定律受到新材料、新结构的支撑，似乎又通过了一个。

摩托罗拉先进产品研究开发实验室主任joe mogab说，量产中能否处理高介电常数材料的迁移率和栅极限制电压的问题，需要在实际生产开始后才知道。 三门晶体管在量产上的难度也是未知数。

过时的结构

在2004年2月举行的Intel开发者论坛上，Intel首席技术官gelsinger发表了题为the era of tera的主题演讲，指出摩尔定律支持了tella时代快速发展面临的框架障碍 这是芯片外部的严重问题。 由于体系结构故障，解决方案倍增的晶体管数量无法转换为倍增的性能。

内存延迟是人们普遍观察和容易理解的主要架构问题。 现在pc解决方案以3ghz以上的频率运行，但主流pc内存在533mhz以下徘徊，带宽瓶颈很明显。 解决方案在不同的应用程序中浪费了大约50%的时间来等待来自内存的数据。

两年前，英特尔和内存制造商rumbus公司希望推进高速rdram (约是现在sdram的一倍)，从根本上改变这种情况。 但是，他们选择了专利技术而不是开放工业标准的产品，没有得到产业界的支持，以失败告终。

英特尔正在迅速发展体系结构改进技术。 双通道内存可以增加内存带宽。超线程技术可以为cpu核心提供多组要执行的数据和指令。 直接内存访问技术降低了cpu参与数据i/o的概率。 通过增加cpu级别2和级别3的缓存，可以减少重新访问内存的机会...

amd参考大型机和小型解决方案的设计方法，在最新一代pc解决方案内集成了高速内存控制器和高速i / o接口hypertransport 2.0，为解决方案前端总线的

这些是改善内存瓶颈的方法，取得了显着的效果，但即使配合2004年流行的ddr2内存，内存和解决方案的速度差异也越来越大。

芯片的事前验证多，是混合的

每一代ia-32解决方案在芯片预验证阶段都面临着上一代产品的3到4倍的错误数量。 当解算器微体系结构的数量和复杂性增加，包括多解算器核心和多线程技术的引入时。

芯片预验证阶段的错误分析和修正是人员密集型的员工，现在很多杂乱的芯片设计团队的人员数量正在迅速扩大，这意味着人们之间交流错误导致的错误概率也在迅速增加。

这种情况需要改变。 否则，无法保证解决方案的稳定性。

现在世界各半导体企业都要确立新的模式、战略和工具，前景为什么不太容易呢？ 硬件体系多，在某种程度上复杂，不像今天的软件那样不稳定吗？

如果漏电率、断路效果、光刻技术等是物理问题，我相信科学技术革新总是能应对这些问题。 但是，芯片的事前验证问题也涉及人和管理的问题。 软件系统至今没有处理这个问题，硬件芯片预验证问题和软件一样会陷入泥潭吗？

至少现在没有革命性的创新发生，人们不再担心它了。

经济差距

芯片预验证的问题只是半导体设计技术面临的诸多问题之一。 itrs (国际半导体技术蓝图机构)为ic部件的迅速发展起草了雄心勃勃的迅速发展计划，并警告晶体管数量的增加速度明显快于设计能力的提高速度。 但是，itrs认为除了设计技术以外，设计价格才是对半导体技术可持续快速发展的最大威胁，会在设计和生产力之间产生差距。

2003年11月24日，英特尔公司宣布制造了基于65nm技术的全功能sram

(静态随机存储器)集成了高性能、低功耗晶体管、第二代英特尔应变硅、高速铜布线和低导电率材料技术的芯片。 因此，英特尔于2005年将此工艺应用于300mm晶片的工艺制造。

从自然科学的角度来看，我认为这些令人兴奋的消息依然希望摩尔定律得以实现。 但是，从经济性来看，支持摩尔定律迅速发展的经济体系越来越难继续下去。 不仅研发投资回收变得困难，生产投资回收也变得困难。

以半导体掩模光刻设备为例，193nm紫外光光刻设备的价格可达一百万美元，新一代半导体掩模光刻技术远紫外( euv )设备几千美元不动。 解决方案制造商使用300mm晶片130nm生产工艺的解决方案生产线的投资从数十亿到数百亿美元，到90nm达到数百亿美元。 摩尔定律以这个速度迅速发展，到本世纪末，解决方案在生产线上的投资至少是几千亿美元到几万亿美元。

谁能投资？ 投资可以收回吗？ it产业能朝这个方向健康迅速发展吗？

半导体产业的投资规模按照摩尔定律高速发展，接近产业投资能力的上限。

希望创新

为什么可以经济地处理根据摩尔定律驱动的晶体管数量持续增加和产品性能下降的矛盾呢？ 这是半导体乃至整个it产业命运考虑的新方向。

摩尔定律的持续发展很快，结构创新很重要。 因此，解决方案将不再把提高频率作为第一个提高性能的方法。

以下所述这些框架的创新充满了对摩尔定律继续的信仰。

多线程多内核解决方案。

多线程多内核解决方案可以显著地处理当前解算器资源的两个明显浪费的问题(内存延迟和系统调度开销)。

英特尔CTO基辛格认为，过去pc解决方案的创新可能主要是从大型机和小外形规格的解决方案( alpha、power等)设计中学习。 将来，您需要参考高性能计算的体系结构和并行计算机的体系结构。 超线程技术是新的参考开始，多核技术将成为未来解决方案主流的快速发展方向。

1 .多线程

根据编译器的优化，多线程技术在理论上可以处理部分内存延迟问题。 也就是说，当一个线程等待内存数据时，子线程通过利用内核进行其他运算来解决。

在英特尔实验室，使用超线程技术的4路安腾样机(配备16gb内存)在未优化的情况下，在一个50秒的运算过程中发生4亿次缓存数据丢失，导致对主存储器的访问和延迟 另一方面，使用编译器(未发行版本)进行优化时，子线程在解析器内核空闲的情况下刷新缓存或加载数据，在缓存数据丢失的情况下减少25%，运算速度提高10%

在这个过程中，编译和优化软件很重要。 xeon和奔腾4解决方案的超线程显然不起作用，因为编译和优化软件尚未完全成熟，初始成果也尚未普及。 为迅速发展成多线程多核体系结构而设计的编译和优化软件是处理内存延迟体系结构问题的关键之一.。。

2 .多核

将来的多核解决方案可以大大减少操作系统的调度、过程中断调用、任务切换等开销。

在以太网从10兆兆迁移到千兆位并迅速发展的过程中，互联网数据的解决占了更多的解决方案时间，占有率达到了25%以上。 以一个ip包解决所有进程为例，现在需要21000个解决方案周期。

求解器迅速发展为多核结构后，在流量繁忙的情况下，可以分配单独的解算器核心用于互联网解决，大大减少系统调度和过程中断，提高系统整体的运行效率。 NIC和解决方案的直接通信技术(不延迟内存)、NIC的内存直接访问技术(减少cpu参与)等，在一个ip数据包中解决全过程需要2000个周期完成，为原来的10%。

新的内存体系结构

由于解决方案迅速发展为多核多线程，因此增加的内核和线程需要越来越多的内存带宽来发挥其特点。 否则，无法长时间处理的内存延迟和有限的内存带宽构成了更严重的内存瓶颈综合征。

根据2004年美国春季idf，英特尔发现下一代安腾硬件平台bayshore将使用fb-dimm存储器互连技术。 这是第一个宣布使用fb-dimm的服务器平台。

fb-dimm将成为下一代高端服务器的内存标准，预计2005年适用于产品。 fb-dimm技术单通道支持三个内存带宽: 3.2gb/s、4gb/s和4.8GB/

速度标准与解决方案带宽的诉求一致。 预计fbdimm技术将比当前最新的单通道ddr2带宽提高8倍以上，并将硬件平台的综合性能至少提高25%。

fb-dimm技术采用ddr2 667/800内存，但内存条需要自己的设计，每个内存条都添加了高级内存缓冲器( AMB )。

各存储器通道并行访问8个存储器组，8个物理存储器组上的amb构成一个逻辑存储器组，存储器控制器通过由amb构成的逻辑存储器组间接访问物理存储器空之间。

fb-dimm技术与多核多线程解决方案合作，为处理计算平台的体系结构和将摩尔定律充分转换为性能的道路带来了希望。

片上系统时代

英特尔科学家认为未来的解决方案会向芯片上系统这样的方向迅速发展，cpu除了有一个通用解决方案外，还包括tcp/ip卸载引擎( tcp/ip offload engine，toe )、mpeg 这些专用解决电路可以提供更高的解决效率，降低功耗和散热问题，并继续迅速发展摩尔定律。

ibm科学家提出了类似的见解，认为未来的解决方案将整合当前操作系统的许多基础功能，提高操作系统的运行效率。 因此，操作系统、虚拟机、开发语言和工具执行更高级的功能，底层功能通过硬件实现，提高了运行速度和可靠性。

这种快速的发展趋势不是it企业自己的臆测，而是技术快速发展的必然。 例如，随着所谓的泰拉时代的到来，万兆互联网也越来越近，计算机解决方案必须进行新的创新。 为了应对未来10千兆位以太网的诉求，每67ns必须解决一个ip数据包。 这个任务超出了结合通用解决方案和操作系统的计算技术所能达到的极限.。

2003年11月，英特尔推出了内部代码tipp的90nm专用解决方案。 包括46万个晶体管，最多可以以9.64gbps的实测数据速率解决tcp/ip输入。 该解决方案采用软件可编程方法作为tcp/ip卸载解决方案研究活动的一部分。

该解决方案核心引擎可以集成到片上系统( soc )中，使用10千兆以太网卡实现tcp/ip卸载( tcp/ip offload )，也可以成为未来中央解决方案的一部分。

2004年3月来华访问的sun企业副总裁颜维伦博士说，sun也认为内存延迟、互联网解决是提高未来解决方案性能的关键，正在努力。

行业努力的方向看起来是一样的。

自由无线电

迅驰的普及是英特尔自由无线电的第一个梦想。

据idc预测，到2004年，世界wlan用户将达到2460万人，比2002年增加近10倍。 2002年销售的所有笔记本电脑中，支持wlan的占10%，2003年占31%，预计2005年销售的笔记本电脑中有80%具备无线通信能力。

有趣的是，wlan不是英特尔的新发明。 但是，相信摩尔定律的英特尔推出了迅驰笔记本电脑，首次大规模体验了无线访问的自由。 在摩尔定律的延长过程中，真理开始出现在背后……。

迅驰IEEE 802.11 b无线接入只是“自由无线”改善人们接入体验的开始。 英特尔自由无线电程序根据不断增加的晶体管数量，实现了可以用软件设定的无线互联网通信模式。

首先，ieee 802.11b/a/g 3三种模式将于20年4年集成到第二代迅驰平台sonoma中，以实现三种模式wlan访问。

intel cto基辛格在2004年2月的intel春季idf大会上建议，下一步将gprs/edge等gsm的数据通信方法集成到未来的移动计算平台也不远

英特尔还致力于开发wimax无线城域网wimax(ieee 802.16a )芯片，致力于减小wimax无线网络接入设备的尺寸和价格。 未来的计算平台也将集成无线城域网功能吗？？ 目标很明显，摩尔定律支持了这一创新的迅速发展。 wimax提供高达2到2~70mbps的接入速率，单个基站高达半径50km，是人们的

无线接入体验。

超宽带( UWB )无线通信技术也由英特尔应用于无线usb的设计。 在2004年英特尔春季idf大会上展示了使用超宽带技术设计的无线usb原型。 这可能是英特尔自由无线程序酝酿出的新梦想。

2 0 0 4年推出的i n t e l grandstale台式机平台将整合wlan的ap(access point )功能。 其宣传方法和迅驰一样，必须推进无线互联网在家庭和办公室的普及。

什么是自由无线？ 我不能再用软件无线电的概念来解释了。 整合、整合、重新整合、摩尔定律使无线技术向多功能、可重构、任意漫游的方向迅速发展和普及，不断改善人们无处不在的互联网自由访问体验。

数字家庭。

在2004年1月的国际费用电子展上，使用英特尔lcos (硅上液晶)技术制造的光学引擎进入了高清数字电视，摩尔定律引入了大屏幕背投。

值得注意的是，lcos技术以前无法处理量产问题，但英特尔宣布在180nm的生产流程中处理这个问题，同时在2005年以130nm进行lcos的量产。 lcos从此成为了现实。

就像cpu是pc的心脏一样，光学引擎是背专业的心脏。 由于英特尔的介入，大屏幕后专业人员被认为将乘坐摩尔定律定义的高速公路。 分辨率不仅会像解决方案的性能一样迅速提高(虽然达到高清分辨率后不需要暂时增长)，显示尺寸也会迅速扩大，价格也会下降，预计会普及。

英特尔量产的lcos比推出新一代pc解决方案更令人兴奋。 每个家庭都有电视，但不一定有电脑。

lcos只是摩尔定律进入数字家庭的大门。 数字机顶盒、媒体中心的计算机等将会成为根据摩尔定律迅速发展的新行业。

SonyPS3、MicrosoftXbox2等数字机顶盒和未来的高端游戏机是以各个计算机体系结构为中心实现的低成本电子设备，具有更强大的数字复制解决功能和宽带网络连接功能 您可以转换样式，通过宽带互联网接收、发送和保存数字拷贝。 你可以浏览网络。 操作方法和使用电子设备一样。

英特尔现在推出了数字机顶盒参考设计，如815、835，以英特尔中端pc体系结构为中心。 索尼ps3和微软xbox2都采用ibm第五代powerpc架构( 64位多内核解决方案)的参考设计，基于游戏机，具有数字机顶盒功能。

英特尔设计了2005年的数字家庭娱乐pc样机“sandow”，以在未来的数字家庭中立于不败之地。 “sandow”模糊了pc和电子设备之间的概念。 不同的顾客可以使用sandow观看不同的交互式HD电视节目，播放符合房间数字家庭标准的设备上的所有数字媒体的副本，显示在不同的设备上，记录在硬盘上。 “sandow”包括电子设备特有的hdtv信号输入、7.1频道高质量环绕输出、数字音频视频的捕捉和播放、新闻显示和导航面板、类似av设备的音频视频控制按钮、以及无线ap和数字 当然，“sandow”通过升级显卡支持高性能的3d pc游戏，也可以与索尼ps3、微软xbox2抗衡。

竞争确实有助于数字家庭的迅速发展，可以增加摩尔定律给人们带来的享受体验，降低享受体验的价格。

医疗

想想有一个小医疗器械，可以诊断每个家庭的常见病，开处方，给人类的生活带来多大的变化。 摩尔定律推动了半导体在医疗行业的应用，使这个构想越来越近。

流感病毒的直径为100nm，半导体制造技术已经达到了90nm技术的量产阶段，英特尔实验室的32nm技术也达到了实用水平。 半导体制造技术制造微型医疗传感器进行疾病诊断已成为现实。

美国罗切斯特大学的科学家正在开发能辨别伤口细菌种类的智能绷带，绷带使用硅传感芯片分解细菌种类。 制作智能绷带的硅感应芯片采用多孔硅，孔的大小只有1nm。 硅感应芯片识别不同细菌释放的独特脂质化合物分子，并评价细菌的种类。 患者可以使用软件将智能绷带的传感器资料扫描到电脑上，通过检索医学资料数据库找到自我治疗的方法。

另外，某企业研究了可以埋入人体内的生物芯片，识别了血液中的数百种病毒，使人类病毒的自动监测成为可能。 生物芯片是利用平面微细加工技术和超分子自组织化技术在固体芯片表面构筑的微分解单元和系统，实现化合物、蛋白质、核酸、细胞和其他生物组织的检测。

医疗领域毕竟直接影响着人们的生活质量。 这些医疗和生物技术行业的应用还处于研究阶段，但依然不令人兴奋，不要充满期待，期待摩尔定律早日进入医疗领域。

摩尔定律随着半导体技术进入更多行业而逐渐开花。

热发泡型喷墨打印机(以佳能和HP为代表)的分辨率从150dpi、300dpi上升到4800dpi。 这是因为喷墨头的制造原理与半导体制造相似，喷嘴密度提高了。

cmos图像传感器是摩尔定律，符合半导体的快速发展。 佳能使用350nm的生产技术开始制造cmos图像传感器2、3年后，数码单反相机从ccd时代迅速转移到cmos时代，从2300万像素超过了数千万像素的大关，价格也从10万元下降到了6，700元。 因此，估计在今后几年制造像素数超过亿个的cmos图像传感器也不难。

ti制造的dlp光学芯片问世没几年，与lcos技术一样，投影仪的亮度和分辨率不断提高、小型化，价格也从数万元迅速下降到1万元以下。 ……。

摩尔定律在不同行业横向扩展的价值在某种立场上超过了摩尔定律的纵深迅速发展的价值。 这种横向扩散似乎还在继续。 空之间有无限，前途无限。

结语>

在从pc中心向互联网中心的工业变迁中，顾客关注“性能”，所以关注“效用”，接受以性能为王的摩尔法则

前所未有的挑战。

中国工程院许居衍院士认为摩尔定律的迅速发展迫使人们两年一次的技术升级，直接导致了应用水平的迅速发展不足。

摩尔定律的影响广泛深入，人们把摩尔定律总结为性能快速发展的法则，解释为it经济快速发展的法则，进行了批评。

事实上，摩尔定律只不过是集成电路晶体管数量迅速发展的法则。