计算机文化课--摩尔定律

2023-10-11 06:40

本文主要是介绍计算机文化课--摩尔定律,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

我们从摩尔定律开始。


为什么要学习摩尔定律呢?摩尔定律从宏观角度揭示了半导体行业发展的现象,同时也预测了集成电路在后续发展中的方向。


在前段时间,我们看过芯片,就是电路板上黑黑的那个方块(绝大多数的形状),它们有大有小,有高有矮。每一个芯片,都有一些伸出来的“手”,既想要从外界获得“食物”(电 OR 信号),由想要把自己的一些“资源”(信号)通过它们的“手”“递给”相连接的“邻居”。


芯片是集成电路(integrated circuit - IC)的载体。那么IC是由什么组成并且是如何组成的呢?如何组成这个问题太复杂了,现在只需要知道是将成百万甚至千万的晶体管放到一块纯净的硅里面去。集成电路追求的目标是:越小的硅中放入越多的晶体管。在2012年的时候,我们国内在一个巴掌那么大的本征硅中放入的晶体管的数量,大约与某个国外公司在一个大拇指指甲盖那么大的本征硅中的晶体管数量相同。




如果想要了解芯片生产工艺,请参考以下链接,链接来源于知乎。(参考1)


一、什么是摩尔定律

在IT产业中,有一个极其著名的摩尔定律。在1965年,戈登·摩尔还是一位普通的集成电路工程师时,他在《电子学杂志》这本刊物上,发表了一篇标题为《让集成电路填满更多的组件》的文章,在文中,戈登·摩尔对集成电路产业的发展做了一个未来十年的预测:预测集成电路的集成度,将会每两年翻一番。后来,由于初期集成电路的蓬勃发展,大家把这个周期修正为18个月。那么流传到现在,主要有三种版本:

  • 集成电路芯片上所集成的电路数目,每18个月翻一番。
  • 微处理器的性能每18个月翻一倍,同时价格下降一倍。
  • 用一美元所能买到的电脑性能,每隔18个月翻两倍。
这意味着:同等价位的微处理器,它的速度会越来越快;同等速度的微处理器的价格也会变得越来越便宜。

从上面的描述可以知道,摩尔定律并非严格的物理定律,而是基于技术进步现象所作出的经验总结。晶体管愈小,集成度愈高,集成电路的性能也就越来越强大,直接导致的结果就是计算机的计算能力呈指数增长。而在同时,生产成本不断下降,我们每个人都能拥有得起一台个人电脑(PC)。冬小冬还有好几台呢。

那么,性能和价格为什么能成反比呢?在IT行业发展的初期,有一句话叫做“在沙子里淘金”。芯片制造的成本,主要由制造设备成本和研发成本这两部分构成。一条半导体设备生产线,其制造设备的投资高达几十亿美元,芯片组的研发成本也高达几十亿美元。因此,最新的处理器在刚刚上市的时候总是特别贵,在芯片生产厂商收回了生产线成本和研发成本以后,因为制造芯片所需要的原材料本征硅用量非常少,而且成本几乎可以忽略,所以制造成本就变得非常低,那么芯片厂商就有了大幅度降价的空间。在这时,使用者就真切地感受到了摩尔定律的威力了:每隔18个月处理器性能翻一倍,而价格下降一倍。

这个发展速度,是极其快速的。更值得惊奇的是,这半个多世纪以来,集成电路的发展基本都遵循着摩尔定律。

比如在1946年,世界上第一台投入运行的计算机ENIAC,它的运算速度达到了一秒钟能完成5000次定点的加减法运算。在2015年,世界上最快的计算机天河2号,其运算速度已经达到了每秒33.86千万亿次的浮点运算。(浮点运算相比于定点运算需要更多的硬件资源,更慢一些。)这个速度接近每20个月翻一番的速度,与摩尔定律的预测大致相同。


EINAC

虽然到现在(2017),世界计算速度最快的计算机是中国的“太湖之光”,可是如果我们以计算速度/功耗比来讨论计算机的性能的话,国产的所有“超级计算机”都需要往后排好多名。


神威·太湖之光

如果需要查询当前计算机计算速度排名,可查看参考链接2。(参考2)

看完了处理器性能,再来讨论存储空间。存储容量的增长速度更快,大约只需要15个月就翻一番。比如在1976年在苹果计算器上所配置的软盘驱动器,它的容量是160K字节,到了2007年,同样价钱的机械硬盘(HDD)的容量就能达到500G字节。在2009年,大容量固态硬盘(SSD)刚上市的时候,每个G字节的价格高达十美元,一个小小的64G的SSD,当时的市场价在650到700美金之间,而在5年以后,每个G的价格已经下降到了2块钱人民币。这也与摩尔定律大致相同。

带宽增长同样也符合摩尔定律。不过带宽速度增长更快,基本每6个月翻一番。在上世纪90年代,国内开始接入互联网的时候,使用的是电话线连接的,其速度为2.4Kbps,也就是电话调试解调器的速度。也就是说,马老板当年创业的时候的网络速度就基本上是这个速度了。如今通过ADSL(一种新型的数据传输方式,类似于我们讨论过的“协议”)技术,同样一根电话线,就可以做到10Mbps的速度。在当下,已经基本上完全是光纤入户了,速度可以达到1000Mbps。

到如今,虽然我们经常在新闻中看到一些标题为“摩尔定律不适用了”等论调,但到目前为止,摩尔定律在集成电路领域还是适用的。不过以后如何,我个人抱谨慎态度,18个月这个周期可能需要放长了。去年听到一个教授讲过:在人类文明的历史上,从来没有哪一个行业哪一项技术有如此蓬勃的生命力,可以做到半个多世纪符合摩尔定律。


上图中,是微处理器的集成度示意图,这条直线直观地表明了摩尔定律依然是适用于IT行业的。

来听一个小故事:比尔盖茨在2004年的一次演讲会上说到,如果通用汽车公司工业能像计算机领域一样发展,那么今天,买一辆汽车的价钱只需要25美元,一升汽油,就能跑400公里。通用汽车老板回应说,如果通用汽车发展科技的方式如同微软一样,那么我们今天的汽车就有以下特性:汽车每天会毫无理由地撞两次……

比尔盖茨的这句话,也说明了计算机行业的发展要比传统工业发展快很多。

二、摩尔定律的影响

摩尔定律给行业竞争带来了巨大的压力,但也是IT行业,尤其是半导体行业的加速器。那么哪些集成电路企业能够活下来呢?必须是那些能够跑赢摩尔定律的公司,才能很好地活着,并成为了大赢家。


摩尔定律在某些时候,却变成了“红舞鞋”一般,穿上它的IT企业都不能停下来,都必须按照摩尔定律的速度,不停地跳舞,一旦停下来,就意味着被淘汰。比如一个IT公司今天卖出去的产品的数量与18个月之前所卖出去的产品的数量如果相同的话,那么根据摩尔定律,这个公司的营业额就会降低一半,这样的衰减速度就很厉害了。解决的方案一是需要销售量翻倍,但销售量翻倍不可能一直持续下去。那第二种方案就是不断完成技术的更新升级以及技术创新,来保持旺盛的生命力。这就是摩尔定律所带来的积极的一面。


摩尔定律也揭示了任何小的公司不可能依靠与大公司相同的技术完成对大公司的超越。但如果反其道而行,如果小公司保持技术创新,以它旺盛的生命力,却是可以与大公司处于同一起跑线,甚至完成弯道超车。


参考1 : https://www.zhihu.com/question/26998618

参考2:https://www.top500.org/

这篇关于计算机文化课--摩尔定律的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/186255

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