计算机系统结构

摩尔定律学习体会 

摘要  摩尔定律是计算机系统结构领域的重要定律，了相关行业40 余年。摩尔定律的主要内容是集成电路芯片上所集成的电路的数目每隔24个月就翻一番。它不仅揭示了存储器芯片的发展，而且也精确地揭示了处理机能力和磁盘驱动器存储容量的发展。

关键词  摩尔定律；计算机发展；集成电路； 处理器；

 

Abstract：Moore’s law is an important rule in the field of computer architecture, which has influenced relevant fields for more than 40 years. The main idea of Moore’s law is that the number of integrated circuit on the Integrated circuit chip will be doubled in every 24 months. Moore's Law not only reveals the development of memory chips, but also is an accurate statement of the development of the processor and storage capacity of disk drive.

Key words :  Moore’s law; computer development; integrated circuit;

1  摩尔定律简介

“摩尔定律”的创始人是戈顿·摩尔，大名鼎鼎的芯片制造厂商Intel公司的创始人之一。20世纪50年代末至用年代初半导体制造工业的高速发展，导致了“摩尔定律”的出台。

摩尔定律(Moore’s Law)是刊登在1965年4月19 日出版的《电子学》杂志上的摩尔的一篇文章——《往集成电路里塞进更多元件》中。根据摩尔定律，芯片上晶体管的数量在18 个月内将翻一番。1975 年，摩尔又做了修正，为每隔24 个月，晶体管的数量将翻番。40年来，半导体技术以及相关行业的发展都与摩尔定律相符，成为半导体技术发展所遵守的金科玉律，被奉为ＩＴ产业第一定律，是芯片霸主英特尔的圣经。虽然摩尔本人也曾经几次预言摩尔定律即将过时，但实际上还是一再延续至今。

2  摩尔定律正确性探究

摩尔定律到底准不准？让我们先来看几个数据。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，与十年前摩尔的预言的确惊人地一致！另据Intel公司公布的统计结果，单个芯片上的晶体管数目，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。我们不妨对此进行一个简单的验证：如果按摩尔本人“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年后元件数应提高了212＝4096倍，作为一种发展趋势的预测，这与实际的增长倍数3200倍可以算是相当接近了。如果以其他人所说的18个月为翻番周期，则二者相去甚远。可见从长远来看，还是摩尔本人的说法更加接近实际。表1描述了intel微处理器集成度发展的历程。

 

表1：intel微处理器集成度发展

型号	上市日期	集成度（晶体管数）
4004	1971	2300
8008	1972	2500
8080	1974	4500
8086	1978	29000
286	1982	134000
386	1985	275000
486	1989	1200000
Pentium	1993	3100000
Pentium2	1997	7500000
Pentium3	1999	9500000
Pentium4	2000	42000000
Itanium	2001	125000000
Itanium2	2003	220000000
Itanium（qmbcoche）	2004	592000000

 

也有人从个人计算机（即PC）的三大要素--微处理器芯片、半导体存储器和系统软件来考察摩尔定律的正确性。微处理器方面，从1979年的8086和8088，到1982年的80286，1985年的80386，1989年的80486，1993年的Pentium，1996年的PentiumPro，1997年的PentiumII，功能越来越强，价格越来越低，每一次更新换代都是摩尔定律的直接结果。与此同时PC机的内存储器容量由最早的480k扩大到8M，16M，与摩尔定律更为吻合。系统软件方面，早期的计算机由于存储容量的限制，系统软件的规模和功能受到很大限制，随着内存容量按照摩尔定律的速度呈指数增长，系统软件不再局限于狭小的空间，其所包含的程序代码的行数也剧增：Basic的源代码在1975年只有4,000行，20年后发展到大约50万行。微软的文字处理软件Word，1982年的第一版含有27,000行代码，20年后增加到大约200万行。有人将其发展速度绘制一条曲线后发现，软件的规模和复杂性的增长速度甚至超 过了摩尔定律。系统软件的发展反过来又提高了对处理器和存储芯片的需求，从而刺激了集成电路的更快发展。

这里需要特别指出的是，摩尔定律并非数学、物理定律，而是对发展趋势的一种分析预测，因此，无论是它的文字表述还是定量计算，都应当容许一定的宽裕度。从这个意义上看，摩尔的预言实在是相当准确而又难能可贵的了，所以才会得到业界人士的公认，并产生巨大的反响。

3  摩尔定律的应用

　  2005年是英特尔公司创始人之一戈登·摩尔提出著名的“摩尔定律”40周年。40年中，半导体芯片的集成化趋势一如摩尔的预测，推动了整个信息技术产业的发展，进而给千家万户的生活带来变化。

　　1965年4月，当时还是仙童公司电子工程师的摩尔在《电子学》杂志上发表文章预言，半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番。1975年他又提出修正说，芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番。

　　当时，集成电路问世才6年。摩尔的实验室也只能将50只晶体管和电阻集成在一个芯片上。摩尔当时的预测听起来好像是科幻小说；此后也不断有技术专家认为芯片集成的速度“已经到顶”。但事实证明，摩尔的预言是准确的。尽管这一技术进步的周期已经从最初预测的12个月延长到如今的近18个月，但摩尔定律依然有效。目前最先进的集成电路已含有17亿个晶体管。

　　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。

4  摩尔定律的影响

摩尔定律几乎对集成电路使用的每一个领域都产生了影响，但是，对于所有的硬件组件来说，摩尔定律是不正确的。摩尔定律最正确的领域之一是处理器。所有品牌的处理器(不仅是英特尔的)都遵守了这个定律，但是RAM内存和硬件等其它组件在这样短的时间里不能提供这样大的进步。不过，甚至是处理器最近处理能力翻倍的速度也减缓了，主要原因是当前技术状态的限制，不过，这也不是宣布摩尔定律死亡的原因。处理器的功率竞赛将继续，因为我们既没有达到处理器能力的极限，更强大的处理器的需求在短期内的需求也没有达到饱和。

 然而，考察一下摩尔定律对于服务器和其它类型的硬件设备的实际影响是有趣的。下面是摩尔定于对于服务器和整个IT行业的直接的或者间接的影响： 今天一台速度快的服务器是明天速度慢的服务器。即使你从来没有听说过摩尔定律，你也知道这个事情。数据中心需要强大的服务器，这是我们频繁购买强大的服务器的原因。但是，这些服务器也是最昂贵的服务器。这些功能强大和价格昂贵的服务器很快将成为中档的服务器，因为在几个月或者一年的时间里，处理能力已经增加了一倍，过去超快速的服务器在性能和成本方面现在仅仅比平均水平高一点。

 最有效地利用资金。购买所有的技术产品的一个通用的购买原则是制定一个合理的预算和设法最有效地利用你的资金。数据中心也不例外。即使你的预算是没有限制的，购买最昂贵的组件也是没有意义的，因为不用很长时间这些组件就没有那样昂贵，过一段时间就可以用同样多的钱购买到两倍以上的计算能力。更不用说你付款之后可能需要等待几个月的硬件组件交货时间。当你收到货时，价格已经显著下降了。

 成倍提高能力，但是不要以牺牲质量和可靠性为代价。摩尔定律没有把质量当作一个因素。但是，已知的事实是第一批新的组件会有缺陷，以后发现缺陷之后再纠正过来。因此，如果你受到速度问题的困扰，并且愿意为此付费，你不要做生产环境中的测试者。你最好等待一下，这样，你将得到质量和速度，而不仅仅是速度。

摩尔定律在IT领域这么长时间都有效的事实并不意味着一切事情都要按照摩尔定律办，因为摩尔定律从来不是要作为一个业务战略使用的。摩尔定律仍是有效的，但是，摩尔定律不应该成为厂商的最终目标。更快的速度总是受欢迎的，但是，可靠性是关键。这是为什么最好不要盲目执行摩尔定律的原因，因为那会看到墨菲定律(有可能出错的事情，就会出错)也是有效的。

5   总结

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。

然而, 正如摩尔本人指出的, 没有什么能永远以几何级数的速度发展。在15年之内, 技术人员将会陷入再想缩小芯片就需要让原子分裂的境地。于是, 预测摩尔定律何时终结再度成为硅谷最流行的消遣。过去几十年以来, 人们一直在说它的末日为期不远, 但每项似乎不可逾越的障碍都逐一被克服了。

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。

参考文献：

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