摩爾定律與計算機發展

    摩爾定律的來歷
    摩爾定律是指集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。“摩爾定律”是由英特爾名譽董事長戈登·摩爾提出來的。
    1965年，戈登·摩爾在準備一個關于計算機存儲器發展趨勢的報告時，整理了一份數據資料，結果卻意外的發現了一個驚人的趨勢。每個新芯片大體上包含其之前版本的容量的晶體管，而且每個芯片的產生都是在前一個芯片產生后的18到24個月內。這個趨勢如果繼續，計算能力相對于時間周期將會呈指數上升。摩爾的觀察資料，就是現在所謂的Moore定律，所闡述的趨勢一直延續至今，且仍依然十分的準確。人們還發現這不光適用于對存儲器芯片的描述，也精確地說明了處理機能力和磁盤驅動器存儲容量的發展。該定律成為許多工業對于性能預測的基礎。在過去的三十余年的時間里，芯片上的晶體管數量增加了上萬倍，1971年推出的第一款4004僅僅擁有2300個晶體管，而在今天45納米級的“上海”處理器已經出現。

    由于高純硅的獨特性，集成度越高，晶體管的價格越便宜，這樣也就引出了摩爾定律的經濟學效益，在20世紀60年代初，一個晶體管要10美元左右，但隨著晶體管越來越小，直小到一根頭發絲上可以放1000個晶體管時，每個晶體管的價格只有千分之一美分。據有關統計，按運算10萬次乘法的價格算，IBM704電腦為1美元，IBM709降到20美分，而60年代中期IBM耗資50億研制的IBM360系統電腦已變為3.5美分。到底什么是"摩爾定律'"？歸納起來，主要有以下三種"版本"：
    1、集成電路芯片上所集成的電路的數目，每隔18個月就翻一番。
    2、微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一半。
    3、用一個美元所能買到的電腦性能，每隔18個月翻兩番。
    以上幾種說法中，以第一種說法最為普遍，第二、三兩種說法涉及到價格因素，其實質是一樣的。三種說法雖然各有千秋，但在一點上是共同的，即"翻番"的周期都是18個月，至于"翻一番"（或兩番）的是"集成電路芯片上所集成的電路的數目"，是整個"計算機的性能"，還是"一個美元所能買到的性能"就見仁見智了。
    晶體管是一種簡單的開關裝置，利用通斷路狀態來處理0／1電子數據。在柵電極電壓的影響下電流從晶體管內通過，而柵電極下存在柵介質，它主要用于隔離柵電極和溝道，保證柵電極間流順利通過，但柵介質不可避免的漏電現象會影響柵電極間通過的電流，同時導致晶體管發熱，這也是晶體管密度難以提升的主要原因之一。
    摩爾定律對計算機發展的影響
    雖然我們可以通過指令并行、數據并行或者其他技術提高CPU的使用率，但對計算機來說CPU的計算能力是一個硬瓶頸。CPU的能力是計算機能力的根本。摩爾定律就是對計算機計算能力的預言。伴隨隨著時間的發展，CPU的發展日新月異，AMD在2008年12月推出了號稱世界最強的“上海”處理器，相信這個最強也是暫時的。
    對于摩爾定律，很多人認為是對計算機發展的一個局限，但我們不妨把它看做是一種鼓勵，推動著計算機的發展。不僅僅是在處理器方面，還存在在存儲等方面。
    當摩爾提出摩爾定律時，集成電路問世剛剛6年。他所在的實驗室也只能將50個晶體管和電阻集成在一個芯片上。摩爾當時的預測非常具有前瞻性。在計算機的發展過程中，在摩爾定律提出后的40年中，不斷有專家認為芯片集成的速度已經達到極限。不過事實證明，摩爾的預言總是準確的。盡管翻一番的周期已經從最初的12個月增加到了如今的18個月，但“摩爾定律”依然有效。
    “摩爾定律”歸納了信息技術進步的速度。這40年里，計算機從神秘不可近的龐然大物變成多數人都不可或缺的工具，信息技術由實驗室進入無數個普通家庭，因特網將全世界聯系起來，多媒體視聽設備豐富著每個人的生活。
    這一切背后的動力都是半導體芯片。如果按照舊有方式將晶體管、電阻和電容分別安裝在電路板上，那么不僅個人電腦和移動通信不會出現，基因組研究到計算機輔助設計和制造等新科技更不可能問世。
    “摩爾定律”還帶動了芯片產業白熱化的競爭。在紀念這一定律發表40周年之時，作為英特爾公司名譽主席的摩爾說：“如果你期望在半導體行業處于領先地位，你無法承擔落后于摩爾定律的后果。”從昔日的仙童公司到今天的英特爾、摩托羅拉、先進微設備公司等，半導體產業圍繞“摩爾定律”的競爭像大浪淘沙一樣激烈。
    毫無疑問，“摩爾定律”對整個世界意義深遠。在回顧40年來半導體芯片業的進展并展望其未來時，信息技術專家們說，在今后幾年里，“摩爾定律”可能還會適用。但隨著晶體管電路逐漸接近性能極限，這一定律終將走到盡頭。“摩爾定律”何時失效？專家們對此眾說紛紜。
    美國惠普實驗室研究人員斯坦·威廉姆斯說，到2010年左右，半導體晶體管可能出現問題，芯片廠商必須考慮替代產品。英特爾公司技術戰略部主任保羅·加吉尼則認為，2015年左右，部分采用了納米導線等技術的“混合型”晶體管將投入生產，5年內取代半導體晶體管。還有一些專家指出，半導體晶體管可以繼續發展，直到其尺寸的極限——4到6納米之間，那可能是2023年的事情。
    專家們預言，隨著半導體晶體管的尺寸接近納米級，不僅芯片發熱等副作用逐漸顯現，電子的運行也難以控制，半導體晶體管將不再可靠。“摩爾定律”肯定不會在下一個40年繼續有效。不過，納米材料、相變材料等新進展已經出現，有望應用到未來的芯片中。到那時，即使“摩爾定律”壽終正寢，信息技術前進的步伐也不會變慢。
    摩爾定律的終結
    英特爾合伙創始人戈登?摩爾曾說，摩爾定律一直在與時俱進，但終將遭遇有效的極限。這與因特爾公司提出的摩爾定律將在2020年左右達到極限的說法不謀而合。
    摩爾定律之外的“遺忘”危機
    摩爾定律影響了計算機的發展，不僅僅是在性能提升上。從另一個方面講，計算機性能的提升直接影響了人類社會的發展。當“知識爆炸”深入人心的時候，人們開始接受，我們所有知識總量正在越來越快的增長，甚至有人說每73天就會翻一番。這樣的斷言雖然有些令人難以置信，但從另一個方面也反映了當代知識總量指數的增長。知識總量的增長，首先得益于計算機和互聯網的發展，但同時對存儲，計算提出了新的要求。存儲決定了我們有多少知識可以保存下來。我個人，認為計算能力對知識的生成和翻新有重要的作用，假設知識總量的函數如圖。
    當我們計算能力和存儲能力的提高無法和知識總量增長相匹配時，可怕的事情就會發生，人類會出現集體性遺忘，總會有很多知識或者說信息被我們所遺忘。遺忘是很可怕的事情，如果被遺忘的是有用的信息，會更可怕。
    當單個計算機性能按照摩爾定律進行提升時，我們可以通過簡單的演算得到要是人類全體計算能力提高，還要增加計算機的數量，隨著時間的推移，由于空間等因素計算機的數量會成為瓶頸，如果計算能力依然按照摩爾定律提升，那面對同樣指數級增長的知識總量，我們會顯得力不從心。
    也許不需要太過擔心，人類對自己知識的集體性遺忘一直伴隨著人類文明發展時，所以才有了考古，所以才有歷史考證。
    未來的計算
    未來的計算將會進入普適的時代。計算將像電力一樣成為一種資源。我們只需要一臺簡單終端就可以無時無刻的享受計算機帶來的便利。但真的如此預言，那世界的計算能力提升僅僅需要將類似電廠的計算提供設施升級即可。摩爾定律或許可以找到它的新用處。