集成电路产业发展与摩尔定律的关系

集成电路改变了传统电路的设计和生产模式。微电子芯片的设计与生产,成为各国产业竞争的关键。晶片的生产是该产业的第一个关口,需要把半导体原材料生产为圆晶片,然后,把晶片分为密集的多个区域,每个区域面积只有数平方毫米,这些区域即为芯片。之后是芯片的设计、生产和封装,如图2-13所示。

图2-13 集成电路晶片、芯片和逻辑门的关系

光刻机

20世纪60年代初,制造和封装能力只能保证一个芯片上只有很少的逻辑门或内存单元可以可靠地运行,称为小规模集成电路。随着时间的推移,欧美工业界可以将更多的逻辑门和内存单元放置到芯片中,计算机进入小中规模集成电路时代(1958—1964年),典型运算速度达每秒1 000 000次。

1965年,摩尔(Gordon Moore),英特尔公司的创始人之一,发现一个芯片可放置的逻辑门和内存单元迅速增加,几乎每18个月,密集程度就会翻一番^[3]。这一规律被产业界称为摩尔定律。

摩尔定律的出现,意味着:

(1)同样大小的芯片中逻辑门和内存单元的密集度两年后将翻一番,自然地,计算机中逻辑运算单元和存储器的成本将迅速下降,这预示着对集成电路的投资将会获得指数级的回报;(www.xing528.com)

(2)逻辑单元和存储器越来越紧密,耗电量会降低;

(3)计算机将变得越来越轻,越来越方便在各种环境下使用,计算机应用市场将迅速增加;

(4)将节约更多的电力,对冷却的要求越来越低,甚至不用冷却,计算机的机械和供电结构越来越简单;

(5)因为降低了部件与部件之间的线路连接,计算机将更加可靠;

(6)既然集成电路的成本越来越低、可靠性增加,那么,就尽可能地把各种算法、逻辑功能等用集成电路实现,这个思路导致了英特尔公司基本上不做精简指令,关注于把乘除法运算、图形图像处理、网络等功能都做到集成电路中,今天大家常说的GPU(Graphic Process Unit)等就是这个思路。

摩尔预测计算机成本降低、密集度提高、可靠性上升,指明了集成电路制造的计算机的光明前途,自然吸引政府、私人基金向该行业投资,也促使计算机应用于各个行业,例如,自动控制、财务系统、信息管理等,虽然建造计算机的初衷是解决数学计算问题。

事实上,1972—1977年计算机就进入了大规模集成电路时代,典型的运算速度达每秒10 000 000 次。1978年后进入了超大规模集成电路时代。超大规模集成电路的出现带动了个人计算机(PC)、便携机、手持设备(如手机、PAD)等的发展。