
摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。
尽管这种趋势已经持续了超过半个世纪,摩尔定律仍应该被认为是观测或推测,而不是一个物理或自然法。预计定律将持续到至少2015年或2020年。然而,2010年国际半导体技术发展路线图的更新增长已经放缓在2013年年底,之后的时间里晶体管数量密度预计只会每三年翻一番。
发展历程
1965年4月19日,《电子学》杂志(Electronics Magazine)第114页发表了摩尔(时任仙童半导体公司工程师)撰写的文章〈让集成电路填满更多的组件〉,文中预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。
1975年,摩尔在IEEE国
际电子组件大会上提交了一篇论文,根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正,把“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”,而普遍流行的说法是“每18个月
增加一倍”。但1997年9月,摩尔在接受一次采访时声明,他从来没有说过“每18个月增加一倍”,而且SEMATECH路线图跟随24个月的周期。
大抵而言,若在相同面积的晶圆下生产同样规格的IC,随着制程技术的进步,每隔一年半,IC产出量就可增加一倍,换算为成本,即每隔一年半成本可降低五成,平均每年成本可降低三成多。就摩尔定律延伸,IC技术每隔一年半推进一个世代。
摩尔定律是简单评估半导体技术进展的经验法则,其重要的意义在于长期而言,IC制程技术是以一直线的方式向前推展,使得IC产品能持续降低成本,提升性能,增加功能。
1998年时,台积电董事长张忠谋曾表示,摩尔定律在过去30年相当有效,未来10到15年应依然适用。
但最新的一项研究发现,“摩尔定律”的时代将会退出,因为研究和实验室的成本需求十分高昂,而有财力投资在创建和维护芯片工厂的企业很少。而且制程也越来越接近半导体的物理极限,将会难以再缩小下去。
由于高纯硅的独特性,集成度越高,晶体管的价格越便宜,这样也就引出了摩尔定律的经济学效益,在20世纪60年代
初,一个晶体管要10美元左右,但随着晶体管越来越小,直小到一根头发丝上可以放1000个晶体管时,每个晶体管的价格只有千分之一美分。据有关统计,按
运算10万次乘法的价格算,IBM704计算机为85美分,IBM709降到17美分,而60年代中期IBM耗资50亿研制的IBM360系统计算机已变
为3.0美分。 摩尔定律的定义归纳起来,主要有以下三种版本:
集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18个月就翻一倍。
微处理器的性能每隔18个月提高一倍,或价格下降一半。
用一个美元所能买到的计算机性能,每隔18个月翻两倍。
以上几种说法中,以第一种说法最为普遍,第二、三两种说法涉及到价格因素,其实质是一样的。三
种说法虽然各有千秋,但在一点上是共同的,即“翻倍”的周期都是18个月,至于翻倍的是集成电路芯片上所集成的“电路的数目”,是整个“计算机的性能”,
还是“一个美元所能买到的性能”就见仁见智了。
发现背景
早在1959年,美国著名半导体厂商仙童公司首先推出了平面型晶体管,紧接着于1961年又推出了平面型集成电路。这种平面型制造工艺是在研磨得很平的硅片上,采用一种所谓“光刻”技术来形成半导体电路的元器件,如二极管、三极管、电阻和电容等。
只要“光刻”的精度不断提高,元器件的密度也会相应提高,从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。
1965年时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔应邀为《电子学》杂志35周年专刊写了一篇观察评论报告,题目是:“让集成电路填满更多的元件”。在摩尔开始绘制数据时,发现了一个惊人的趋势:每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量,每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18-24个月内。
如果这个趋势继续的话,计算能力相对于时间周期将呈指数式的上升。摩尔的观察资料,就是后来的摩尔定律,所阐述的趋势一直延续至今,且仍不同寻常地准确。
人们还发现这不光适用于对存储器芯片的描述,也精确地说明了处理机能力和磁盘驱动器存储容量的发展。该定律成为许多
工业对于性能预测的基础。在26年的时间里,芯片上的晶体管数量增加了3200多倍,从1971年推出的第一款4004的2300个增加到奔腾II处理器
的750万个。
定律验证编辑
广义验证
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目,从1971年4004处理器上的2300个,增长到1997
摩尔定律
年
PentiumII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年后元件数这与实际的增长倍数3200倍可以算是相当接近了。