数字电路历史、摩尔定律及未来发展走势

我们都晓得在计算机世界中，归根到层的计算，只要两种形态，既数字电路的开和关，对应于二进制数字1或0。任何弱小的计算机、冗杂的计算也终都是用经过1，0来完成的。这实际上暗合了中国古典哲学的"阴阳"，1，0生万物。数字电路的发展史，又慢到大，有大到小，计算的功能越来越弱小，但是开展却不断契合一条规则，明天虫虫就和大家一家一同聊聊电子电路发展史、摩尔定律以及未来发展趋势。
　　电子电路发展史——从真空管、晶体管到集成电路
　　真空管和ENIAC
　　计算机的终计算是经过数字电路的开关形态的切换来完成的，包括信息传递和设备联通等。数字电路的开展初，是在上个世纪50年代之前，电路是由真空管组成。由弗莱明创造的二极管，德福雷斯特改进的真空三极管，在此基础上发生了台通用计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Compute）。
　


　　代电子电路都是由抽成真空的宏大的玻璃管，所以叫真空管。真空管是应用灯丝或电路板的两极来发射电子束来控制电流。但是，并非一切的管都被抽空，一些运用的气体和较小的管运用光敏资料和磁场来控制电子的活动。它们都有共同点：价格昂贵，耗费少量电力并散发出宏大热量。它们也十分不牢靠，需求少量的维护。而且尺寸它们很大，难于制造更小型的"计算机"。
　　晶体管
　　晶体管的创造源于贝尔实验室的研讨，立足于找到一种价格便宜，耗电少或无耗电且不会升温的元件。该元件还必需易于制造，切换速度快，体积小。1974年由William Shockley指导下，John Bardeen和Walter Brattain创造了满足这些特性的晶体管。晶体管体积小，电阻也小，没有活动部件（因而损耗很小），并且牢靠，简直不发热。晶体管的创造，使得电子电路的研讨绝后活泼，晶体管功能，尺寸和可靠性的新开展简直每个月都会发作。
　


　　集成电路
　　德州仪器（Texas Instruments）的杰克基尔比（Jack Kilby）是世界上个向世界展现将很多这些晶体管放在单个晶圆（硅片）上的人之一。1959年，他为个IC或集成电路请求了。到了20世纪60年代，晶体管变得越来越小，我们制造复杂的IC并构建更快，更小的"计算机"。
　　摩尔定律
　　上世纪五十年年代，飞兆半导体和英特尔的结合创始人戈登摩尔（Gordon Moore）宣布了一篇论文，指出每个集成电路的元件数量将在将来十年每年增加一倍。1975年，他回忆了他的预测，并表示组件的数量如今每两年增加一倍。这就是着名的摩尔定律。
　


　　几十年来摩尔定律不断被验证是正确的。而且摩尔定律不断在指点芯片制造和设计。英特尔和AMD的研讨人员不断以来都是依据摩尔定律设定目的和目标。由于摩尔定律迫使芯片设计的长足发，计算机也变得越来越小。摩尔定律不仅仅是一种预测，它已成为制造商旨在完成的目的和规范。以下是摩尔定律的一些实证：
　　1971年个半导体工艺之一是10微米（或许比一米小10万倍）。到2001年，它是130纳米，比1971年小近80倍。
　　截至2017年，的晶体管工艺为10纳米，相比拟人头发直径是100微米，比今晶体管大近10,000倍。
　　摩尔定律危机
　　随着大规模电路开展，晶体管越来越小，集成数量成几何级添加，其制造工艺却越来越难了。克制这些技术和工艺壁垒不只需求少量的工夫和研讨，还需求少量的资金和投资。因而，摩尔定律也中的工夫也逐步放缓，甚至可它能够会很快不成立，摩尔定律危机迸发（当然假如没有宏大革新这是必定的）。
　　英特尔花了大约两年半的工夫才从2012年的22纳米工艺开展到2014年的14纳米工艺，之后10纳米的研讨和开发不断就成绩不时，屡次延迟，能够要到2019年才干上市，不过好消息是AMD 7纳米的显卡和CPU会在2019年上市（见虫虫近一篇文章《AMD将来产品瞻望...》）。由于摩尔定律不是真正的定律，只是一种预测或揣测。虽然芯片制造商不断致力于完成并坚持目的，但这样做变得越来越困难。
　　征引摩尔自己2015年的话："我以为摩尔定律将在将来十年左右在消亡"。
　　量子隧穿
　　随着电子元件越来越小（纳米级），量子特性和效应逐步显现。随着我们不时减小晶体管的尺寸，其Pn结耗尽层的尺寸也越来减小。耗尽层十分重要，用于阻止电子的活动。研讨人员经过计算得出，由于电子在其耗尽区中的隧道效应，小于5nm的晶体管将无法阻止电子活动。由于隧穿，电子将不会感知耗尽区域，直接 "跨穿"。假如不能阻止电子活动，晶体管就会生效。
　


　　此外，我们如今正在渐渐接近原子自身的大小，实际上我们不能树立一个比原子小的晶体管。硅原子的直径约为1纳米，如今我们制造的晶体管的栅极尺寸约为该尺寸的10倍。就算是不思索量子效应的??，我们也将到达晶体管的物理极限，无法做到更小。
　　电流和加热效应
　　除了量子隧穿和物理极限，还有两个很制约的工艺成绩，那就是晶体管小尺寸的加热效应。随着晶体管变小，晶体管往往会变得更"漏"，即便在OFF形态下。也不可避免要让一些电流经过。这称为漏电流。假如我们将漏电流设为100 nA假如CPU有1亿个晶体管，那么走漏电流将为10A。这将在几分钟内耗尽手机电池。较高的栅极电压可以增加漏电流量，但这会招致更多的加热效应。即便不思索到它，每个时钟计算自身也耗费了少量的热量。制造商必需运用这些属性并使它们恰如其分地避免这些影响。随着流程变得越来越小，工艺越来越难。
　　高漏电流还会招致暗硅和暗记忆的成绩。即便我们芯片中能够有很多晶体管，但大多数晶体管必需坚持关断以避免芯片过热和熔化。一切这些OFF形态的晶体管少量占用了可用于放置其他元件的空间。这招致一个成绩：我们真的需求更小，还是我们改良现有的芯片设计？
　　将来瞻望
　　5纳米设计
　　思索到一切这些要素，英特尔执行官和国际半导体技术路线图表示，5纳米能够是能到达的极限尺寸。估计5纳米将在2021年初次亮相。那么在那之后我们还能等待什么呢？
　　Dennard's Scaling-Dennard Scaling被以为是摩尔定律的姊妹法。它由Robert Dennard于1974年制定，并指出随着晶体管变小，它们的功率密度也会降低。这意味着随着晶体管变小，操作它们所需的电压和电流量也将增加。这个定律允许制造商增加晶体管的尺寸，并经过每次迭代的大幅腾跃来进步时钟速度。但是在2007年左右，Dennard的Scaling解体了。这是因为在较小的尺寸下，走漏电流会招致晶体管升温并发生进一步的损耗。
　　我们能够曾经留意到，虽然晶体管变得更小，但是在过来十年中CPU计算速率并没有上升，这是由于Dennard Scaling解体。高时钟速率下的高损耗也是智能手机芯片运用较低时钟速度（通常为1.5 GHz）的缘由。
　　库梅定律
　　经过改良以后的芯片完成并具有更好的指令流水线，我们可以改善芯片的功能。所以斯坦福的教授乔纳森·库梅提出了库梅（Koomey）定律：每焦耳能量的计算次数将每1.5年翻一番。估计这种状况将继续到2048年，届时Landauer的原理和热力学复杂定律将阻止进一步的改良。目前，Landauer Limits的计算机效率约为0.00001%。
　　多核架构
　　传统的编程语言（如Java，C ++和Python）只能在单个设备上运转。但随着设备变得越来越小和越来越廉价，我们可以在许多芯片上同时或并行地运转相反的顺序，从而进一步提高功能。在这方面，像Golang，Node这样的言语将扮演更重要的角色。
　　新资料研讨
　　世界各地的研讨人员正在寻觅更新，更创新的办法来制造更小更快的晶体管。曾经证明，氮化镓和石墨烯等资料在更快的开关频率下具有更小的损耗。
　　


　　量子计算
　　


　　目前来来能够解决方案是开展量子计算（Quantum Computers）。像D-Wave和Rigetti Computing这样的公司正在这个范畴广泛开展任务，更重要的是，扩展Qubits的定律还没有开端。绕过Dennard Scaling的办法是在单个芯片中放置更多内核以进步功能。目前量子计算曾经显示出宏大的前景，它的优势是可以拥有多个个形态（与其他计算机0，1不同）。目前曾经有些实验性质的量子计算曾经获得很好的效果，比方基于量子技术的真正的随机数算法曾经成功。 

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