摩尔定律（预言、法则）

                                 潘瑞瑾  陈焕讯

    摩尔定律（预言、法则）：

    摩尔定律仅仅适用于电子计算机；对非电子计算机（如量子计算机等）不适用。

    用英特尔公司创始人之一戈登·摩尔（Gordon,Moore）名字命名的、凭借经验描述的“摩尔定律”，是一个在规模经济下半导体技术和应用方面的物理定律。

    1965年4月，当时任仙童半导体公司研究部主任的摩尔先生应美国《电子》杂志总编辑的邀请，在为美国《电子》杂志所撰写的一篇文章中、对未来半导体元器件工业发展趋势所作的预测中预言：单块集成电路芯片上所集成的晶体管数目每年增加一倍；1975年，摩尔把此前的预测更改为每两年增加一倍；后来人们进一步把它更改为每隔18个月左右将会增加一倍（当价格不变时，单块集成电路芯片上所集成的元器件数目，每隔18～24个月增加一倍；性能相应提升、集成电路工艺的精度相应提高）。数年之后，摩尔的友人把上述文章中的预言起名为摩尔定律（摩尔定律仅仅是一个关于人类创造力的定律，并不是一个物理定律）。

    几十年来在全球产品导向的市场体系中，从小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路，直到目前的片上双核、多核系统，摩尔定律一直在起作用。几十年来技术发展的实践和摩尔的预言基本一致。

    摩尔定律核心的意义是：在产品导向的市场体系中，通过快速发展的芯片技术，可以为整个IT产业源源不断地提供发展的源动力。

    根据摩尔定律，CPU大约每18个月左右为一个更新换代周期；老型号的CPU会降价、减产、停产、清仓。

    随着单核处理器主频的提高，不但带来了高的发热量，还因为内存速度的限制而出现更长的等待时间；因此，增大芯片上的缓存，采用超线程技术、双核/有限多核/很多核处理器，采用更有效的处理器架构和降低处理器的能耗等，逐渐成为处理器的发展方向。

    多个内核放进一个CPU芯片中，每一个内核都工作在相对较低的频率下，既可以降低整个CPU的功耗、又可以提高整个CPU的性能、同时仍然符合摩尔定律。

    双核/有限多核/很多核处理器的设计思想是减少并行处理和适当降低每一个内核的工作强度来减小整个处理器的功耗。双核、有限多核和很多核技术可以有效地延长摩尔定律的寿命。

    目前，计算的基本架构正在变化，计算性能的提升更多来自处理器的密度、而不是来自晶体管的密度。

    2001年，铜互连开始取代铝互连。

    2004年12月15日AMD和IBM宣布：共同开发出了一种应变硅晶体管技术，有助于消除漏电和无效切换所导致的功耗和过热问题，可以使晶体管的工作速度加快24%。这些成果，有望使半导体的性能在本世纪的前十几年仍能快速提高。

    2006年6月12日，Intel宣布其新型三维晶体管已进入量产研发阶段。三维晶体管和平面晶体管相比，速度可以提高45%左右，漏电流大幅度减小、总体功耗低35%左右。

    2007年1月30日，Intel宣称其在45纳米（1nm=10亿分之一米）晶体管工艺中所采用的高-k（high-k，k值反映材料保存电荷的能力）铪（Hf）基栅极和金属栅极材料晶体管技术是自20世纪60年代末推出多晶硅栅极金属氧化物半导体晶体管以来、晶体管技术领域里的最大变革；和此前的二氧化硅绝缘栅晶体管相比，高-k铪基栅极和金属栅极晶体管的漏电率降低10多倍，晶体管的开关速度提高约20%。

    2007年11月10日，IBM及其合作伙伴宣布，已经开发出可以承受极高温度的基于铪的材料，芯片厂商采用这种材料可以在常规的芯片制造工艺流程下设计、制造32纳米产品。

    2009年，Intel采用32纳米工艺的微处理器批量投产。

    2008年8月，IBM阵营在全球首先发布试制成功22纳米的SRAM芯片。

    2011年，Intel采用22纳米工艺的微处理器量产。

    2011年5月4日，Intel宣布3D三栅极晶体管（FinFET）投产。

    3D三栅极晶体管，可以在更低的电压和更低的泄漏下运行，性能提高30%以上。

    3D三栅极晶体管的应用，使摩尔定律在可以预见的将来继续适用。

    Intel在2015年转入14纳米工艺之后，其工艺技术的进展Tick-Tock（工艺年-架构年）逐渐跟不上架构更新的速度。

    自从工艺技术的进展跟不上架构更新的速度之后，Intel打破了Tick-Tock的框框、增添了一些Optimization（优化）产品；这样一来，Intel的14nm工艺就横跨了Broadwell、Sky Lake、Kaby Lake、Coffee Lake一共四代的Core处理器。

    2018年，Intel进入10纳米工艺。

    2004年，英国曼切斯特大学Andre Geim教授和Kostya Novoselov研究员所开发出的由单层碳原子薄膜构成的石墨烯（Graphene）半导体材料，是一种性能优异的半导体材料。

    石墨烯具有高导电性、高韧度、高强度、超大比表面积等特点，在电子、航天军工、新能源、新材料等领域用途广泛。

    利用元素周期表中3～5族元素所制成的半导体材料有超强的光特性。

    美国国防高级研究规划署（ADRPA）所资助的美国伊利诺伊大学的研究人员已经研制出了晶体管激光器原型。目前的晶体管激光器（不需要全新的制造基础设施）采用砷化铟和磷化铟镓，开关速度可以达到每秒几十亿次以上，既能生成光信号、又能生成电信号。

    目前的晶体管激光器的基极里面有一个非常薄的量子阱层，加电后，基极量子阱层里与空穴相结合的电子比进入基极其余区域的电子多得多，电子经过复合后发光、光依靠反射镜在量子阱层里来回弹射形成谐振腔导致光越来越多，最后形成激光逸出。

    2010年7月27日，Intel宣布开发出集成有混合硅激光器的、数据传输速率为50Gbps的硅基光电数据联接系统的原型；从而向着使用超轻超细光纤替代金属连接线、在更长的距离上传输更多数据的目标前进了一大步。今后，Intel通过提高光调制器的速度和增加发射器芯片上硅激光器的数量等方法有望可以把硅基光电数据联接系统的数据传输速率提高到1Tbps以上。

    随着处理器和I/O性能的提高，铜互联技术即将走到极限，光信号的频率大大高于电信号的频率，因为光连接器件每秒所传送的数据量可以达到铜线的几千倍，让硅材料发光可以传送高出铜材料数千倍的信息，从而可以大大提高计算的速度。

    光传输的优点很多，比如两束激光只要它们的波长不同、相互穿过时就不会发生干扰；此外，光信号通常在10Km的范围内不会出现明显的衰减。

    硅基光电子技术，主要用来解决芯片之间数据传的瓶颈问题。

    2020年，Intel进入7纳米工艺。

    随着光刻技术的逐步接近原子级，摩尔定律终将失效（走到尽头）。