对摩尔定律的发展,现在面临的挑战以及可能的解决方案的简述 |
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对摩尔定律的发展，现在面临的挑战以及可能的解决方案的简述
作者：曹阳
软件工程
摘要：简述了摩尔定律的发展，现在面临的挑战以及可能的解决方案，同时讨论了 “ 超摩尔定律 ” 的可 能的发展方向。
关键词：摩尔定律；超越摩尔定律；
正文： 1965 年，摩尔在《电子学》杂志上所发表的《让集成电路填满更多的组件》中首次提出了著 名的摩尔定律，预言芯片中的晶体管数量将每年增加一倍。随后在 1975 年，摩尔又在 IEEE 国际电 子组件大会上提交了一篇论文，将摩尔定律由 “ 每一年增加一倍 ” 修改为 “ 每两年增加一倍 ” 。而最为流 传广范的版本 “ 每 18 个月增加一遍 ” 却在 1997 年被摩尔本人所否认。这种趋势已经持续了超过半个世 纪，然而摩尔定律仍然应该被认为是观测或推测，而非物理或自然法。
1959 年，半导体厂商仙童公司推出了平面型晶体管，又在 1961 年推出了平面型集成电路。这种 平面制造工艺是用光刻技术来刻蚀出半导体的元器件，如二极管、三极管、电阻和电容等。光刻 " 的 精度不断提高是元器件的密度提高的关键，因而具有极大的发展潜力。因此平面工艺被认为是 " 整个 半导体的工业键 " ，也是摩尔定律问世的技术基础。
摩尔定律在后来的发展中得到了很好的验证。 1975 年，在一种新出现的电荷前荷器件存储器芯 片中，的确含有将近 65000 个元件，与 1965 年摩尔的预言一致。另据 Intel 公司公布的统计结果， 单个芯片上的晶体管数，从 1971 年 4004 处理器上的 2300 个，增长到 1997 年 Pentium II 处理器上 的 7.5 百万个， 26 年内增加了 3200 倍。如果按 " 每两年翻一番 " 的预测， 26 年中应包括 13 个翻番周 期，每经过一个周期，芯片上集成的元件数应提高 2n 倍 (0 ≤ n ≤ 12) ，因此到第 13 个周期即 26 年后 元件数与实际的增长倍数 3200 倍可以算是相当接近了。
1994 年初，美国 LSI 公司研制成功集成度达 900 万个晶体管的逻辑芯片； 1997 年， Intel 推出了 包含 750 万个晶体管的奔腾处理器，这款新产品集成了 Intel MMX 媒体增强技术，专门为高效处理 视频、音频和图形数据而设计。 1998 年 3 月，英特尔公司制成包含 702 亿个晶体管的集成电路芯 片，这表明集成度这一微电子技术的重要指标在不到 40 年内便提高了 7000 万倍； 2003 年单位芯片 的晶体管数目与 1963 年相比增加了 10 亿倍； 2004 年， Intel 推出在新的直径为 300 mm 的晶圆片 ( 晶 圆片尺寸一般十年翻一番 ) 上能够刻出容纳 5 亿个晶体管的芯片； 2005 年，芯片所含晶体管数高达几 十亿只，频率也高达几千兆； 2007 年 11 月，英特尔共发布了 16 款 Penryn 处理器，主要面向服务器 和高端 PC 。这些产品采用了更先进的 45 nm 生产工艺，其中最复杂的一款拥有 8.2 亿个晶体管。英 特尔上一代产品主要采用 65 nm 生产工艺，最复杂的一款处理器拥有 5.82 亿个晶体管； 2010 年， 三星公司实现了 30 nm 制程内存芯片量产； Intel 于 2011 年推出了含有 10 亿个晶体管、每秒可执行 1 千亿条指令的芯片； 2015 年，三星公司为苹果公司大规模量产 14 nm 的 A9 移动处理器。 2015 年 7 月， IBM 做出了 7 nm 芯片，利用的材料是硅锗而不是硅。该项突破性成果，具备了在指甲盖大小的 芯片上放置 200 亿只晶体管的能力。
定律的预测能力来源于生产技术的常数速度改进，而生产技术的发展，由半导体行业的 “ 全球半 导体路线图 ” ，或由半导体行业 “ 全球半导体路线图 ” 来驱动。该路线图描述了保持摩尔定律所有的技 术发展要求。这种技术革新的周期从第一块半导体电路的生产就已经开始，随后在 20 世纪 70 年代 引入净化厂房生产技术以后得到加速的发展。体现摩尔定律的这种技术革新周期的持续高速发展， |
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