电子产业需要摩尔定律（120627）

闵应骅

     按照2011年统计，半导体产业已经达到3000亿美元，来支持整个电子产业。但是，电子产业和汽车、娱乐、医疗器械等行业不同。电子行业需要不断增加功能吸引用户，淘汰旧产品。这就要求半导体行业的技术进步。

   拿超级计算机来说，其峰值性能=处理器每秒执行的指令数（IPS）X 处理器个数，这就是所谓百亿亿次计算机，即使用1亿个处理器，每个也得有上百亿的IPS。因此，处理器芯片的速度是基础，其最大二进制吞吐量（BIT）也就是单位时间内芯片内最大的跳变次数。如果每个门都跳变，那么，最大的跳变次数就等于门数乘以处理器的工作频率。系统能力，即每秒执行的指令数μ与二进制吞吐量β有一个关系，如后面的图所示。人脑支持语言、运动和对生理功能的控制所需要的β大约等于10¹⁹ b/s，而大脑的图像处理能力要求μ大约等于10¹⁴ IPS。从图可见，我们还没有达到那个水平。我们需要新的技术和体系结构来达到更高的性能，但花费较少的功耗。

    目前，CMOS工艺的IC的主要挑战包括：

1．  提高芯片处理能力要求提高主频。而达到1-5G的频率，电路理论中的许多结论不再成立，置于开关状态的时间非常短，给逻辑电路带来许多问题。

2．  CMOS电路的功率消耗于工作频率成正比。芯片内温度升高，功耗加大，不但影响可靠性，而且可以损坏芯片。整机的功耗甚至达到一个小城市的耗电水平，而集中在一个也许100平方米的范围内。

3．  这种超大规模集成电路从设计、制造、测试、封装，都面临大量新问题。

   许多的技术改进使得摩尔定律50年有效。对于小于10纳米的工艺尺寸，人们正寻找平面印刷工具，来代替光刻，但现在尚未成功。直接的自组装工艺也在研究中。更多、更新的技术正在发展中。半导体Roadmap早就预料，CMOS IC可能进展到7纳米，所以，现在这条路子还会坚持相当一段时间。 

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