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一個畢業(yè)于北京大學數(shù)學力學系，在中國科學院計算所、計算中心和網(wǎng)絡中心工作過，在澳大利亞科工組織DMS、香港浸會學院數(shù)學系和中國21世紀議程管理中心等處工作過，多次獲國家和中科院科技獎并享受政府特殊津貼的退休老頭?，F(xiàn)在在【中國科普博覽】網(wǎng)“科學新語林”欄目里開設一個《數(shù)學與計算機》的個人專欄，愿和愛好數(shù)學與計算機的各界網(wǎng)友和青少年朋友，談談對數(shù)學與計算機的看法、想法。
摩爾定律及其應用與前景——回顧摩爾定律走過的五十年（下）
張建中
2015年07月17日3. 摩爾定律的演化
摩爾定律的響亮名聲，令許多人競相仿效它的表達方式，從而派生、繁衍出多種不同版本的“摩爾定律”，現(xiàn)舉例說明如下：摩爾第二定律
摩爾定律提出50年來，集成電路芯片的性能的確得到了大幅度的提高；但另一方面，Intel高層人士開始注意到芯片生產(chǎn)廠的成本也在相應提高。1995年，Intel董事會主席羅伯特 諾伊斯預見到摩爾定律將受到經(jīng)濟因素的制約。同年，摩爾在《經(jīng)濟學家》雜志上撰文寫道："現(xiàn)在令我感到最為擔心的是成本的增加，…這是另一條指數(shù)曲線"。摩爾的這一對芯片成本趨升的預言被人稱為摩爾第二定律。超摩爾定律
“超摩爾定律”（More than Moore，MtM）。MtM 這一新定義以及具有各種功能性的新型器件不一定遵循摩爾定律，但卻能夠以不同方式為用戶提供額外的價值。“超摩爾定律”的做法通常會讓非數(shù)字功能（例如：射頻通信、電源控制、被動組件、傳感器、驅(qū)動器）從系統(tǒng)板級轉(zhuǎn)變到特定的系統(tǒng)級封裝（SiP）或系統(tǒng)級芯片（SoC）的潛在解決方案，并最后進入疊層芯片系統(tǒng)芯片（Stacked Chip SOC，SCS）。據(jù)預測，在未來十年的末期，有必要通過引入多種新設備以加強互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝，以超越現(xiàn)有CMOS 器件的性能。然而，人們認為這些新的器件很可能無法擁有CMOS 的全部功能，因此，預計未來無論是在芯片級還是在封裝級，異質(zhì)整合將以COMS 為核心整合這些新的功能。[caption id="attachment_1310" align="aligncenter" width="444"]
超摩爾定律[/caption]
新摩爾定律
在IT產(chǎn)業(yè)里有兩個摩爾定律：一個是英特爾創(chuàng)始人戈登 摩爾總結(jié)的廣為人知的關于芯片性能每18-24個月倍增的定律，另一個則是由杰弗里 摩爾（Geoffrey Moore）創(chuàng)立的關于技術產(chǎn)品生命周期的定律，這里稱為新摩爾定律。后者可能不如前者那么簡單、明了，卻指導著高科技公司的發(fā)展。杰弗里 摩爾在2000年出版了以財富500強等大企業(yè)管理層為讀者對象的第4本著作《斷層線生存》（Living on the Faultline），《商業(yè)周刊》驚呼“摩爾步入了主流”，這樣的評價似乎暗示摩爾以前一直在主流之外。事實上，從1991年出版第一本書《跨越中斷期》（Crossing the Chasm）他就深刻地影響著整個美國的高科技產(chǎn)業(yè)。諸如“大猩猩”（Gorilla）、保齡球道（Bowlin galley）、中斷（Chasm）這些被他引入的具有特定含意的詞匯是硅谷的所有經(jīng)理主管階層語匯的重要部分。在硅谷，新手們往往被告訴“讀這幾本書”，然后他們與其他人有了共同語言。摩爾的書也是包括哈佛、斯坦福、MIT在內(nèi)的多家商學院的必讀書。
反摩爾定律
反摩爾定律是Google的前CEO埃里克 施密特2006年提出的：如果你反過來看摩爾定律，一個IT公司如果今天和18-24個月前賣掉同類型、同樣多的產(chǎn)品，它的營業(yè)額就要降一半。IT界把它稱為反摩爾定律，具有積極和消極的雙重影響。反摩爾定律促成科技領域質(zhì)的進步，并為新興公司提供生存和發(fā)展的可能。和所有事物的發(fā)展一樣，IT領域的技術進步也有量變和質(zhì)變兩種。為了趕上摩爾定律預測的發(fā)展速度，光靠量變是不夠的。每一種技術，過不了多少年，量變的潛力就會被挖掘光，這時就必須要有革命性的創(chuàng)造發(fā)明誕生。另外，反摩爾定律使得新興的小公司有可能在發(fā)展新技術方面和大公司處在同一個起跑線上，甚至可能取代原有大公司在各自領域中的地位。
反摩爾定律對于所有的IT公司來講，都是非?？膳碌模驗橐粋€IT公司花了同樣的勞動，卻只得到以前一半的收入。反摩爾定律逼著所有的硬件設備公司必須趕上摩爾定律所規(guī)定的更新速度，而所有的硬件和設備生產(chǎn)廠家活得都是非常辛苦的。
摩爾邊際定律
摩爾邊際定律：此定律表示，在保持同等性能的前提下，數(shù)字產(chǎn)品的售價以每年30％到40％的幅度下滑。這條定律也可以解釋為何用戶手中價值299美元的Treo 650牌電腦在性能方面可以媲美1988年售價達到3500美元的康柏電腦產(chǎn)品。《福布斯》網(wǎng)站2005年4月發(fā)表的改變了當今世界的10大定律。除摩爾定律和摩爾邊際定律外，其它8大定律是：
1、安迪比爾定律：
在上個世紀90年代的一次電腦大會上，有人表示：“安迪提供什么，比爾拿走什么” 。換句話說，英特爾公司總裁安迪.格羅夫一旦向市場推廣了一種新型芯片產(chǎn)品，微軟CEO比爾蓋茨就會及時地升級自己的軟件產(chǎn)品，吸收新型芯片的高性能。摩爾定律的效能保證了新型軟件不斷出現(xiàn)在市場上，然而通常新軟件只不過是表面的提升而已，不過隨著硬件技術的提升，軟件技術也會在某一時刻達到飛躍的效果，例如上世紀80年代的圖形計算和上世紀90年代的網(wǎng)絡瀏覽，今天的搜索引擎，下一個該是什么呢？毫無疑問它會讓我們大吃一驚。
2、梅特卡夫定律：
這條定律是用以太網(wǎng)絡的發(fā)明人羅伯特.梅特卡夫的名字命名的。定律表示，網(wǎng)絡的有用性（價值）隨著用戶數(shù)量的平方數(shù)增加而增加。換句話說，某種網(wǎng)絡，比如電話的價值隨著使用用戶數(shù)量的增加而增加。
3、吉爾德定律：
勝利者浪費定律。數(shù)字時代3大思想家之一的喬治.吉爾德在《福布斯》創(chuàng)刊之前的幾年就曾經(jīng)提出了著名的吉爾德定律。他說，最為成功的商業(yè)運作模式是價格最低的資源將會被盡可能地耗費，以此來保存最昂貴的資源。在蒸氣機出現(xiàn)的時代，因為蒸氣機的成本已經(jīng)低于當時傳統(tǒng)的運輸工具馬匹，因此聰明的商人開始了蒸氣機的使用。如今最為廉價的資源就是電腦以及網(wǎng)絡帶寬資源，并且隨著摩爾定律的生效，兩者的價格還呈現(xiàn)出飛速的下滑趨勢。Google公司就是一個很好的例子，公司服務器產(chǎn)品達到了大約12萬臺，支撐起了搜索引擎的整個網(wǎng)絡架構(gòu)，然而在成本相對較高的人力資源方面Google公司卻顯得十分吝嗇，如今公司的員工總數(shù)還不到3500人，但就是這樣一個公司每年的銷量卻達到了50億美元。
4、李嘉圖定律：
經(jīng)濟形式越明朗，19世紀英國經(jīng)濟學家大衛(wèi).李嘉圖提出的比較優(yōu)勢理論的作用就越明顯。商務互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)就是一個很好的例子，這也是自從比較優(yōu)勢定律被提出以來最大的一個“窗口”。當然這也意味著，如果貴公司的表現(xiàn)實在糟糕的話，整個世界都會知道的。
5、里斯頓定律：
這條定律的名稱來自已故的沃爾特.里斯頓，一位銀行金融界的巨頭。在 1992年里斯頓一本名為《the twilight ？of sovereignty》的書中，他就曾經(jīng)預言了電子網(wǎng)絡的崛起以及隨之而來的主要影響。里斯頓表示，如果被給予自由和光的速度，資本（包括金錢和構(gòu)想）將去向它想去的地方，留在它被很好對待的地方。如果很好地理解了里斯頓定律，我們將可以很好地預測出未來國家和公司的興衰大勢。
6、拉夫爾曲線定律：
上世紀70年代，年輕的經(jīng)濟學家亞瑟.拉夫爾提出了這一創(chuàng)造性的定律。在某些情況下，隨著收取稅金比率的降低，您可以得到的稅金總額卻相反會增加。這條定律表明，稅率的降低可以使得業(yè)務或者工作人員變得更有生產(chǎn)力，進而商務規(guī)模將會進一步擴大。拉夫爾定律很好地解釋了上世紀80年代到90年代美國經(jīng)濟的飛速增長，以及如今印度的繁榮，東歐表現(xiàn)超越西歐等現(xiàn)象。
7、杜拉克定律：
聽起來也許十分奇怪，不過如果從你的字典中將“成就”這個字眼剔除，換以“ 貢獻”的話，那么您最終可以在您的事業(yè)中取得真正的“成就”。這番話來自于管理奇才彼得.杜拉克先生。對于“貢獻”的追求可以保證精力被投放在最需要的地方，比如您的用戶、雇員或者股東。
8、奧格威定律：
奧格威為20世紀最偉大的廣告創(chuàng)意專家。奧格威是Ogilvy&Mather公司的創(chuàng)造者，他曾經(jīng)撰寫了一本名為《Ogilvy on Adertising》的著作。在書中，奧格威先生寫到：在任何一位O&M公司任職的領導都會接到他送出的一個俄羅斯嵌套娃娃，在打開嵌套娃娃時他們會發(fā)現(xiàn)其中又是一個小一些的嵌套娃娃，就這樣一層一層，在最后一個很小的娃娃里面是一張紙條，上邊寫著“如果我們只是雇傭那些不如我們的雇員，公司將逐漸成為侏儒，不過如果我們雇傭的員工總是要超越我們本身，有朝一日公司會成為巨人?！痹缭谏蟼€世紀50年代的時候，奧格威先生就理解了商務以人為本的道理，而隨著時間的推移，這條道理顯得越來越正確。
4. 摩爾定律對計算機發(fā)展的影響
雖然我們可以通過指令并行、數(shù)據(jù)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(fā)展，CPU的發(fā)展日新月異。對于摩爾定律，很多人認為是對計算機發(fā)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(fā)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(fā)展過程中，在摩爾定律提出后的50年中，不斷有專家認為芯片集成的速度已經(jīng)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(jīng)從最初的12個月增加到了如今的18-24個月，但“摩爾定律”依然有效。
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(xiàn)，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(chǎn)業(yè)白熱化的競爭。在紀念這一定律發(fā)表50周年之時，摩爾說：“如果你期望在半導體行業(yè)處于領先地位，你無法承擔落后于摩爾定律的后果?！?
毫無疑問，“摩爾定律”對整個世界意義深遠。在回顧50年來半導體芯片業(yè)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。
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(fā)熱等副作用逐漸顯現(xiàn)，電子的運行也難以控制，半導體晶體管將不再可靠?！澳柖伞笨隙ú粫谙乱粋€50年繼續(xù)有效。不過，納米材料、相變材料等新進展已經(jīng)出現(xiàn)，有望應用到未來的芯片中。
5. 摩爾定律的前景
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集成電路[/caption]
摩爾定律問世已50年，人們不無驚奇地看到半導體芯片制造工藝水平以一種令人目眩的速度提高。Intel的微處理器芯片Pentium 4的主頻已高達2G，2011年推出了含有10億個晶體管、每秒可執(zhí)行1千億條指令的芯片。這種發(fā)展速度是否會無止境地持續(xù)下去是人們所思考的問題。
從技術的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復雜性和差錯率也將呈指數(shù)增長，同時也使全面而徹底的芯片測試幾乎成為不可能。一旦芯片上線條的寬度達到納米（10-9米）數(shù)量級時，相當于只有幾個分子的大小，這種情況下材料的物理、化學性能將發(fā)生質(zhì)的變化，致使采用現(xiàn)行工藝的半導體器件不能正常工作，摩爾定律也就要走到盡頭。
從經(jīng)濟的角度看，正如摩爾第二定律所述，20-30億美元建一座芯片廠，線條尺寸縮小到0.1微米時將猛增至100億美元，比一座核電站投資還大。由于花不起這筆錢，迫使越來越多的公司退出了芯片行業(yè)。
毫無疑問，摩爾法則對整個世界意義深遠。不過，隨著晶體管電路逐漸接近性能極限，這一法則將會走到盡頭。摩爾法則何時失效？專家們對此眾說紛紜。早在1995年在芝加哥舉行信息技術國際研討會上，美國科學家和工程師杰克 基爾比表示，5納米處理器的出現(xiàn)或?qū)⒔K結(jié)摩爾法則。中國科學家和未來學家周海中在此次研討會上預言，由于納米技術的快速發(fā)展，30年后摩爾法則很可能就會失效。前不久，摩爾本人認為這一法則到2020年的時候就會黯然失色。一些專家指出，即使摩爾法則壽終正寢，信息技術前進的步伐也不會變慢。
物理學家加來紀雄（Michio Kaku）是紐約城市大學一名理論物理學教授，稱摩爾定律在叱咤芯片產(chǎn)業(yè)47年風云之久后，正日漸走向崩潰。這將對計算機處理進程產(chǎn)生重大影響。在未來十年左右的時間內(nèi)，摩爾定律就會崩潰，單靠標準的硅材料技術，計算能力無法維持快速的指數(shù)倍增長。
加來紀雄表示導致摩爾定律失效的兩大主因是高溫和漏電。這也正是硅材料壽命終結(jié)的原因。加來紀雄表示這與科學家們最初預測摩爾定律沒落大相徑庭。科學家應該能繼續(xù)挖掘硅部件的潛力，從而在未來幾年時間里維持摩爾定律的生命力；但在3D芯片等技術也都耗盡潛力以后，那么也就將達到極限。
各領域科學家以及產(chǎn)業(yè)分析師們都預測到了摩爾定律的失效。然而研究者們同時又提出，不斷進步的芯片結(jié)構(gòu)和部件使得摩爾定律在今天依然有效。就連被稱作“建立在摩爾定律之上”的Intel公司宣布隨著采用納米導線等技術的新型晶體管逐漸取代傳統(tǒng)的半導體晶體管，已經(jīng)進入“大叔”級別的“摩爾定律”，將不能繼續(xù)引領電子設備發(fā)展的節(jié)奏。
業(yè)界有專家預計，芯片性能的增長速度將在今后幾年趨緩。一般認為，摩爾定律能再適用10年左右。其制約的因素一是技術，二是經(jīng)濟。
制約因素之一：技術
從技術的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復雜性和差錯率也將呈指數(shù)增長，同時也使全面而徹底的芯片測試幾乎成為不可能。一旦芯片上線條的寬度達到納米（10 -9米）數(shù)量級時，相當于只有幾個分子的大小，這種情況下材料的物理、化學性能將發(fā)生質(zhì)的變化，致使采用現(xiàn)行工藝的半導體器件不能正常工作，摩爾定律也就要走到它的盡頭了。
制約因素之二：經(jīng)濟
從經(jīng)濟的角度看，正如上述摩爾第二定律所述，目前是20-30億美元建一座芯片廠，線條尺寸縮小到0.1微米時將猛增至100億美元，比一座核電站投資還大。由于花不起這筆錢，迫使越來越多的公司退出了芯片行業(yè)?？磥砟柖梢倬S持十年的壽命，也決非易事。
然而，也有人從不同的角度來看問題。美國一家名叫Cyber Cash公司的總裁兼CEO丹 林啟說，“摩爾定律是關于人類創(chuàng)造力的定律，而不是物理學定律”。持類似觀點的人也認為，摩爾定律實際上是關于人類信念的定律，當人們相信某件事情一定能做到時，就會努力去實現(xiàn)它。摩爾當初提出他的觀察報告時，他實際上是給了人們一種信念，使大家相信他預言的發(fā)展趨勢一定會持續(xù)。