摩尔定律失效 回首急速发展的五十年

（原标题：摩尔定律失效 回首急速发展的五十年）

高中时期我们接触过各种各样的定律，牛顿三大定律、能量守恒定律等等，那么摩尔定律是一个什么样的定律呢，说起来各位同学可能就已经开始头疼了，又是一个需要背的东西。然而好消息是摩尔定律并不是一个物理或自然法则，而是由Intel的创始人之一戈登·E·摩尔于50年前进行的预测，反应的是半导体行业的发展规律。其内容是：集成电路上可容纳的电晶体（晶体管）数目，约每隔24个月便会增加一倍。

大约十年之前，Intel公司宣布了基于摩尔定律的“Tick-Tock”理论，所谓Tick-Tock本意其实是指钟摆运行发出的“滴答”声，用在这里则是在说Intel会在每两年完成一次处理器架构的大变动：“Tick”年完成制程的进步，在保证性能几乎相同的情况下缩小芯片面积，降低能耗及发热，“Tock”年则是更新微处理器架构提升性能。Tick和Tock相互交错进行，每两年完成一次“滴答”循环。

晶体管数量增长图（图片来自Wikipedia）

这样的策略获得了非常大的成功，近些年半导体行业的发展可谓是翻天覆地。单颗芯片上的晶体管数目从1971年的4004处理器上的2300个增长到1997年的Pentium II（奔腾2）处理器上的7.5百万个，26年的时间里数量增长了3200倍，再到13年发布的Haswell平台的14亿个晶体管，16年间增长186倍，基本可以说符合了摩尔定律的发展规律。当然如果要去非常准确的用数学计算来论证，似乎实际增长与理论数值有一定的差距，但是毕竟这是一个对发展趋势的分析预测，做到这种程度已经是非常可贵了。

Skylake（图片来自Bidness Etc）

在经过了长时间的指数增长之后，芯片的前进终究是遇到了瓶颈，当无限量的缩小芯片面积增加晶体管密度接近物理极限的时候，其增长必定受到限制，2010年国际半导体技术发展路线图的更新表明增长将会放缓在2013年年底，而那时恰好是Haswell处理器发布之后，后来的14nm制程产品Broadwell一直到2015年年初的CES大会上才与大家见面，这一次的“Tick”相比平常已经延迟半年左右的时间。Broadwell处理器主要面向移动端，并且没有零售版本，DIY玩家真正用上14nm则是在8月份的Skylake发布之后。而原本计划于2016年推出的10nm架构Cannonlake也被另一款14nm制程的Kaby lake所取代，这样一来，14nm产品足足占用了三年的时间。

第2页："Tick-Tock"的十年

Intel正式提出Tick-Tock策略是在2007年，其实在前一年发布的65nm制程的Cedar Mill及Core架构已经可以算是Tick-Tock的开端。作为Pentium 4（奔腾4）处理器的最后一代，Cedar Mill全新的65nm制程可以说是有效的降低了上一代Prescott的发热的问题，随之而来的Core架构则是一次性能提升，不到半年的时间里Intel就完成了一次升级，这一次的Core 2（酷睿2）系列处理器的推出可以说为后续酷睿i系列处理器的异军突起打好了前站。

奔腾4

之后的一次Tick出现在一年之后的2007年11月11日，Penryn（彭林）架构首次为我们带来了45nm的处理器产品，包括有双核心桌面处理器Wolfdale、四核心桌面处理器Yorkfield。 

Core 2

如果说之前的Intel处理器Pentium是主力，那么从这一次的架构改进则是将酷睿系列处理器推向了第一梯队，2008年末的Nehalem架构处理器中，酷睿i7系列处理器开始走向大众，当时的Intel解释说i7并不是这两个字符并没有什么特殊的含义只是感觉好听而已。

酷睿i7-920

很快来到2010年初，45nm制程也已经坚持了两年有余，迎来了新一次的升级，32nm的Westmere发布，至此Intel的产品线已经基本构成，酷睿i3 i5 i7分别面向中高端市场，奔腾面向入门级，赛扬主攻移动低功耗平台， Xeon（至强）系列负责服务器级平台。相信许多像笔者一样比较年轻的DIYer可能都是从这个时候开始了解CPU市场的，许多人将之称为第一代的酷睿系列处理器。

酷睿i3-530

2011年初我们又一次迎来了一个Tock年，全新的Sandy Bridge携第二代酷睿系列处理器到来，酷睿系列的一跃称为最受DIY玩家关注的品牌之一，当初笔者身边的朋友可能有不知道Intel的但是都知道酷睿，笔者哭笑不得的给他们解释过无数次酷睿处理器其实是Intel的产品。接下来采用22nm制程的第三代Ivy Bridge及第四代Haswell相继于12年4月及13年6月问世，即使是现在还有非常多的用户在使用这两代产品。

酷睿i5-2310及3450

　　非常神秘的第五代酷睿系列处理器在国内的消息比较少，主要在移动端进行了一些试水，没有推向零售市场，为数不多的寥寥几款产品仅在国外少量露出，导致我们对这一代产品并没有什么了解。不过有消息称代号Broadwell-E的极致性能桌面级处理器将会来袭，届时是否能带来巨大惊喜我们拭目以待。

酷睿第五代处理器（图片来自网络）

接下来要隆重介绍一下目前最新的Skylake架构处理器产品，这次的发布我们等了两年多，终于在2015年8月到来，量产的14nm桌面级产品全线铺货，首发型号i7-6700K及i5-6600K一经发布就引起了极大的关注。即使是Intel，两年的时间并没有让14nm的产品完全达到预期，Intel不得不改变研发周期，在原定两年的循环中添加一个优化的过程来完善产品，这就是之前传言中的Kaby lake，让我们一同期待它早日到来。

第3页：摩尔定律是硅谷的脉搏

“摩尔定律就是硅谷的脉搏，它带领着硅谷以史诗般的速度前进，并成为全世界的先驱。”技术顾问Rob Enderle如是说。

摩尔定律可以说是整个计算机行业中最重要的定律，正是由于它的存在，才会让上世纪中叶发明的计算机逐步微型化，性能却一直在不断增长；多亏了摩尔定律，我们才能将微型电子设备手机手表手环等戴在身上；多亏了摩尔定律，超薄笔记本电脑、流媒体视频、云、搜索等等这些功能才能面世。

“摩尔定律是整个信息时代的驱动力，”著名高速存储器生产开发商兰巴斯公司的首席科学家Craig Hampel说，“没有摩尔定律，就没有如今廉价的处理器，如今硅谷99%的公司也就不会存在了。”

Tick-Tock（图片来自网络）

摩尔定律——验证芯片企业存活的标准

芯片行业发展迅速，跟不上脚步的公司很快就会被时代淹没，摩尔定律也在随后的时间里逐渐成为了验证芯片企业存活的标准，两年时间内要么使芯片上的晶体管数量翻倍，要么被淘汰。

在迅速提高性能的同时，摩尔定律还促使芯片价格降低，将当初只有军方和企业才能拥有的产品带入了每个人的生活，Intel的初代处理器有2300个晶体管，价格超过500美元，现在的微处理器包含超过10亿个晶体管，价格却仅为当初的一半左右。“那才是我的真正目标：告诉大家我们的技术能让电子设备越来越便宜。”摩尔说。

Intel的晶体管更新节奏（图片来自网络）

摩尔定律过时了？

在早些时候，人们认为只要将电子元件（如晶体管）的体积不断缩小就可以非常方便的将芯片的晶体管数量增加，同时提高性能，但是这个方法在十年前就已经带来了麻烦，密集的元件带来的发热问题越来越严重，芯片厂商如Intel不得不寻找其他方法来延续摩尔定律的预言。在氧化硅层的厚度已无法继续变薄的时候，Intel采用了全新的材料氧化铪作为栅极，成功的将支撑推到了32nm的水平，平面上的体积缩减已经遇到瓶颈，Intel将目光看向了立体元件，由伯克利的胡正明教授课题组提出的FinFET结构，全新的14nm Skylake平台处理器都是采用的这样的结构。

32nm二维晶体管与22nm三维结构的对比

胡正明说：“摩尔定律所预言的指数增长到某个时间点必定会放缓”，放缓之后是否意味着失效了呢？

“公司为了掌握更高的市场份额、击败竞争对手，必须要拼命把产品性能翻一番甚至翻两番，这些都是可以理解的，也正是他们的努力使得电子产业取得了如此的高速发展。”胡正明说，“然而，没有哪一种指数增长是可以一直延续下去的。”

胡正明表示，很可能从某一个时间点开始，每两年翻一番的速度就会放缓到每四年到五年翻一番。

“而那可能是个更好的结果——与其灿烂无比又一闪而逝，稳定而缓慢的增长显然是更好的。”