理论教育 摩尔定律:实现未来集成电路的大胆预期

摩尔定律:实现未来集成电路的大胆预期

时间:2023-05-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:不过它对电子商务的最重要的贡献其实并不是微处理器,而是摩尔定律。摩尔定律的叙述方式有多种版本。摩尔定律的惊人之处在于它对未来集成电路技术发展的大胆预期。事实上摩尔作为仙童半导体公司的研发主管恰恰是从芯片的生产成本角度来分析该定律的。除了运算速度的提高外,摩尔定律还意味着运算成本的持续降低,单只晶体管能耗的减少和芯片稳定性的提高。

摩尔定律:实现未来集成电路的大胆预期

集成电路产业在形成了以硅为基础材料的发展方向后,成为一个点沙成金的产业。而英特尔成为当时硅谷最重要的公司。不过它对电子商务的最重要的贡献其实并不是微处理器,而是摩尔定律

摩尔1929年出生于美国加州的旧金山。他在加州大学伯克利分校读完化学专业本科后又在加州理工大学获得化学博士学位。摩尔在仙童半导体公司的研发部门工作时负责主管集成电路的开发。1965年他在研究集成电路产业发展趋势时发现从1958年到1965年期间,集成电路的集成度(也就是每平方英寸上可以容纳的半导体数量)每年翻一番。根据当时的半导体技术研发速度,这个趋势完全可以延续下去。于是他将这一发现发表在1965年《电器》(Electronics)期刊上,这就是后来的摩尔定律。

摩尔定律的叙述方式有多种版本。从当年的文章来看摩尔的预期是集成电路的复杂度(可被简单理解为芯片上可容纳的晶体管数目)每年增长一倍(by a Factor of Two)。后来在1975年他将预期改为每两年增加一倍,性能也将提升一倍。这一说法逐渐成为后来的标准定义并被英特尔的公司网站使用。流传很广的另一个版本是每隔18个月增加一倍,不过这种说法被摩尔本人否定。

摩尔定律的惊人之处在于它对未来集成电路技术发展的大胆预期。在传统产业中,当产品的性能成倍提高时,一般其成本也应该相应提高。在信息技术产业中恰恰相反,随着产品性能的提高,生产成本持续下降。这是因为随着集成度的提高,单只晶体管生产成本不断下降,而整体性能不断提高的缘故。事实上摩尔作为仙童半导体公司的研发主管恰恰是从芯片的生产成本角度来分析该定律的。在他文章所附的图(见图3-2)中,从1962年到1970年的三条数据线是以芯片的集成度为X轴,以芯片上每一个半导体的平均生产成本为Y轴来体现的,所以才会有在每一个周期里单只晶体管的生产成本先不断下降然后急剧上升的现象。这是因为,每一次集成技术升级后,都有一个新的更高的最优集成度,如果这时候生产低于这一集成度的芯片,就会造成单只晶体管平均生产成本的增高,如果生产高于这一集成度的芯片则会因为技术屏障而造成生产成本的急剧增加。

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图3-2 1965年摩尔定律描述的芯片集成度与生产成本的关系(www.daowen.com)

摩尔和诺伊斯等人离开仙童半导体公司联合成立了英特尔公司后,英特尔的芯片从1971年到2004年的历史发展数据与每两年增加一倍的摩尔定律的预测几乎达到完美的吻合。这里面除了英特尔公司在微处理器技术的领军地位外,还有整个计算机信息产业需要一个稳定的发展预期的需求因素。比如微软每两三年需要升级一次操作系统,于是对微处理器的运算速度有一定的预期,微软与英特尔的联合意味着英特尔需要按部就班地为微软等软件公司提供这种支持。

除了运算速度的提高外,摩尔定律还意味着运算成本的持续降低,单只晶体管能耗的减少和芯片稳定性的提高。这四大因素综合在一起才使得信息产业能够不断在摩尔定律的驱动下发展,同时使我们的信息技术使用成本不断下降。考虑到绝大多数个人计算机在过去30多年使用的都是英特尔微处理器,与其说是摩尔成功地预言了摩尔定律,倒不如说是摩尔把微处理器的研发进度预先告诉了大家,当然能够不断实现这一研发计划也是一件了不起的成就。摩尔定律带来的运算速度的指数发展速度使得我们当今人手一部的智能手机的运算速度达到了20世纪80年代一台超级计算机运算速度的三倍。

除了摩尔定律,微处理器(CPU)的发明是英特尔公司的另一重要贡献。英特尔公司早期的主要产品并不是微处理器,而是计算机内存。1969年日本的一家生产电子计算器的公司比吉康(Busicom)准备开发新的电子计算器141-PF。在设计好计算器的集成电路后,它希望英特尔能够为其生产该集成电路上的12种不同的数据处理芯片。英特尔的工程师马西亚·霍夫(Marcian Hoff)在研究了比吉康的生产要求后发现按照比吉康的设计要求来生产的话,不但工艺复杂,而且需要对芯片进行特殊的封装。于是,他建议将这12枚芯片的功能通过4枚芯片来实现,其中一枚最主要的是具有通用运算功能的芯片,它可以通过编程的方法来实现原来其他芯片的功能(这就是后来的4004微处理器,也就是中央处理器)。其他三枚则是为这枚主要芯片提供运算支持的只读内存(ROM)、随机存储(RAM)和提供输入输出接口移位寄存器(I/O)。当霍夫的新架构设想得到支持后,另一个工程师斯坦利·马泽尔(Stanley Mazor)为通用运算芯片设计了一套指令集,通过调用这些指令来实现不同的运算命令。有了架构和指令集后,英特尔从仙童半导体公司挖来了费德里科·费金(Federico Faggin)主持具体的设计工作。费金和比吉康公司派来的工程师正敏志摩(Masatoshi Shima)最终研制出了英特尔4004微处理器。随后英特尔通过以低价提供给比吉康这些芯片的条件换取了这些芯片设计的知识产权销售给其他公司的市场权。就这样,世界上第一枚通用微处理器诞生了[4]。4004的计算速度与计算性能与1946年的ENIAC相当,它能够执行4字元运算,包含2300个晶体管,每秒钟可运算9万次,成本低于100美元。发现4004作为计算器芯片的销路不错后,英特尔在1972年和1974年又分别推出了8字元的8008和性能更优越的8080。

1974年,摩尔在诺伊斯卸任之后接任英特尔的总裁和首席执行官。虽然8080已经具备了支持个人计算机的功能,而且有工程师建议摩尔利用这些芯片开发个人计算机,但摩尔认为个人计算机只是为一小批计算机业余爱好者所使用,不会有太大的市场潜力。他还认为微处理器主要是为计算器、交通灯以及其他嵌入式设备提供核心计算功能,是公司的非核心产品。尽管如此,英特尔发明和继续生产微处理器的决定使得它在处于萌芽状态的个人计算机市场上占据了重要地位,从而为后来英特尔的研发和生产转型埋下了伏笔。

时间一恍进入20世纪80年代。80年代初IBM开始进入个人计算机市场时,由于前面提到的IBM策略失误,没有使用自己开发出的微处理器来配置其个人计算机,而是使用了英特尔的微处理器,为英特尔提供了一个重要的机遇。1985年英特尔在内存市场上遇到了崛起后的日本公司的严重挑战。因为在价格和量产的质量上都难以取胜,英特尔不得不放弃内存市场,转为主攻微处理器市场。这时候个人计算机在美国的销售扶摇直上,于是公司立即将大批研发力量从内存研发转为386微处理器研发,使得386微处理器在市场上取得了圆满的成功,就此巩固了英特尔微处理器的市场垄断地位。

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