一文讀懂“功能密度定律”
功能密度定律?(Function Density Law)是本文作者于2020年1月20日首次提出,其內(nèi)容為:對于所有的電子系統(tǒng)來說,沿著時(shí)間軸,系統(tǒng)空間內(nèi)的功能密度總是在持續(xù)不斷地增大,并且會(huì)一直持續(xù)下去。Function Density Law:For all electronic systems, along the time axis, the function?density in system space is constantly increasing and will continue.下圖所示為功能密度曲線,從曲線中我們可以看出,在電子集成技術(shù)發(fā)展的初期(1958~2020年) ,電子系統(tǒng)的功能密度隨時(shí)間的變化是按照摩爾定律增長的,其曲線呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢。隨著摩爾定律的逐漸失效,其曲線逐漸平緩,但功能密度依然保持增長。上圖的曲線是在第一次提出時(shí)功能密度定律時(shí)的曲線基礎(chǔ)上做了一些修正,功能密度曲線增長的總趨勢不變,在曲線的起始端增加了摩爾定律適用區(qū)域,即功能密度定律的描述更加寬泛,其中包含了摩爾定律。從長遠(yuǎn)來看,功能密度曲線是一條單調(diào)增長的波動(dòng)曲線,隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),在不同的歷史階段,其增長的斜率是不同的,甚至在某些特定的區(qū)間,可以以指數(shù)規(guī)律進(jìn)行增長。功能密度定律是為了解決摩爾定律后續(xù)難以為繼而提出的,功能密度定律可以說是摩爾定律的繼承者,因此,我們首先要了解一下摩爾定律。
02?摩爾定律?
摩爾定律最常見的描述為:當(dāng)價(jià)格不變時(shí),集成電路上可容納的元器件的數(shù)目,約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍,性能也將提升一倍。換言之,每一美元所能買到的電腦性能,將每隔18-24個(gè)月將提升為原來的4倍。總得來說,摩爾定律有以下3種說法:1)集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目,每隔18-24個(gè)月就翻一番;2)微處理器的性能每隔18-24個(gè)月提高一倍,而價(jià)格下降一倍;3)用一個(gè)美元所能買到的電腦性能,每隔18-24個(gè)月翻兩番。以上3種說法中,以第1種說法最為普遍,第2、3兩種說法涉及到價(jià)格因素,其實(shí)質(zhì)也是一樣的。3種說法雖然各有千秋,但在一點(diǎn)上是共同的,即“翻番”的周期都是18-24個(gè)月,至于翻一番(或翻兩番)的是“集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目”,是整個(gè)“計(jì)算機(jī)的性能”,還是“一個(gè)美元所能買到的性能”就見仁見智了。摩爾定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度,盡管這種趨勢已經(jīng)持續(xù)了超過半個(gè)世紀(jì),摩爾定律仍一直被認(rèn)為是一種觀測或推測,而不是一個(gè)物理或自然法則。摩爾定律到底準(zhǔn)不準(zhǔn)呢?讓我們從下圖中可以看出,現(xiàn)實(shí)中的采樣點(diǎn)基本均位于摩爾定律曲線的附近,可以看出摩爾定律基本上還是很準(zhǔn)確的。上圖所示為摩爾定律曲線,因?yàn)榭v軸采用了對數(shù)坐標(biāo),其實(shí)際是一條指數(shù)增長曲線。1958年基爾比發(fā)明了集成電路,8年后摩爾定律提出。“所有的器件都可以在一個(gè)硅片上集成,器件數(shù)量將以指數(shù)方式增長”,這就是我們對基爾比和摩爾兩個(gè)人觀點(diǎn)的總結(jié)。六十多年后的今天,整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依然以它們?yōu)榛?/span>我在前面的文章和新書中曾經(jīng)描述過,任何以指數(shù)規(guī)律增長的曲線,在物理意義上都是不可持續(xù)的,只可能是區(qū)間性的曲線。因此,摩爾定律在物理意義上也是不可持續(xù)的,而只可能是在某個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)有效的定律。摩爾定律問世至今已56年了,我們知道:芯片上元件的幾何尺寸總不可能無限制地縮小下去,這就意味著,總有一天,芯片單位面積上可集成的晶體管數(shù)量會(huì)達(dá)到極限。現(xiàn)在業(yè)內(nèi)存在著兩種觀點(diǎn),一種認(rèn)為摩爾定律已經(jīng)失效,另一種認(rèn)為摩爾定律繼續(xù)有效, 那情況到底如何呢?從現(xiàn)階段的情況來看,摩爾定律確實(shí)已經(jīng)失效了!然而,通過3D IC,異構(gòu)集成等技術(shù),系統(tǒng)內(nèi)的功能密度還是可以持續(xù)增加的,這就是一部分觀點(diǎn)認(rèn)為摩爾定律還在持續(xù)的原因。這其實(shí)是一種誤解,摩爾定律最鮮明的特點(diǎn)是其指數(shù)翻倍的規(guī)律,而在現(xiàn)階段,這種指數(shù)翻倍規(guī)律已經(jīng)是不可持續(xù)的。因此,不能因?yàn)楣δ苊芏鹊睦^續(xù)增加而認(rèn)為是摩爾定律的持續(xù),這也是我當(dāng)初提出功能密度定律的重要原因。
03?從原子結(jié)構(gòu)到宇宙空間?
現(xiàn)代技術(shù)基本向兩個(gè)方向的發(fā)展:微觀和宏觀。
微觀方向逐漸走向原子結(jié)構(gòu),集成電路的發(fā)展就是典型的例子;宏觀方向則面向著廣闊無垠的宇宙空間。現(xiàn)代半導(dǎo)體中,硅元素還是占據(jù)著主流的位置,我們來了解一下硅原子的物理結(jié)構(gòu)。晶胞是反映晶體性質(zhì)的最小單元,下圖所示為硅的晶胞結(jié)構(gòu)。在由硅原子構(gòu)成的一個(gè)面心立方體的晶胞內(nèi),8個(gè)頂點(diǎn)和6個(gè)面各有一個(gè)硅原子,另外還有4個(gè)硅原子,分別位于四個(gè)空間對角線的 1/4處,平均到每一個(gè)硅晶胞中的原子數(shù)為8 (8 × 1/8 6 × 1/2 4 = 8)。硅的晶胞邊長為a(晶格常數(shù)),在300K時(shí),a=5.4305?(0.543nm),1nm相當(dāng)于不到2a,也就是說在1nm的寬度內(nèi)兩個(gè)晶胞都安放不下。硅原子空間利用率=硅原子體積/單位原子在晶胞中占有的體積,硅晶體空間利用率約為34%,即晶胞空間內(nèi)1/3為原子,2/3為空隙,如下圖所示。也就是說,微觀上我們看到的硅已經(jīng)不再是平滑連續(xù)的,而是由離散的原子團(tuán)組成的。對于其他非硅材料的半導(dǎo)體,基本可采用相同的分析方法。目前,除了核技術(shù)之外,在微觀方向,常規(guī)技術(shù)發(fā)展到原子級(jí)別基本上就到頭了。而宏觀方向的發(fā)展則是無窮無盡的宇宙空間。長久以來,人類在不斷地觀測宇宙,也嘗試著一步步地探索宇宙,從各種探測器到載人航天器,載人登月,火星探測,人類的步伐也會(huì)一步步地邁得更大,走的更遠(yuǎn)。
04?廣義功能密度定律?
功能密度定律描述里面有兩個(gè)關(guān)鍵詞:“系統(tǒng)空間”,“功能密度”,首先,如何定義系統(tǒng)空間和功能密度呢?系統(tǒng)空間定義:一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)其體積所占的空間稱為其系統(tǒng)空間。功能密度定義:單位體積內(nèi)包含的功能單位的數(shù)量稱為功能密度。功能單位包含,功能細(xì)胞Function Cell,功能塊Function Block,功能單元Function Unit。進(jìn)行功能密度橫向或者縱向比較時(shí),應(yīng)該采用同樣的功能單位。SiP的系統(tǒng)空間為其封裝體的體積,手機(jī)的系統(tǒng)空間為手機(jī)的體積,筆記本電腦的系統(tǒng)空間為其工作狀態(tài)時(shí)所占用的空間,移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)空間為其所覆蓋的區(qū)域空間,等等。我們可以充分發(fā)揮想象力,放大系統(tǒng)空間到更大的范圍,例如一棟大樓、一個(gè)城市、一個(gè)國家,甚至整個(gè)地球,都可以用功能密度定律來評判技術(shù)的發(fā)展程度。1947年人類發(fā)明了第一個(gè)晶體管,1958年人類發(fā)明了第一塊集成電路,此后,電子技術(shù)產(chǎn)生了巨大的革命,并且廣泛應(yīng)用到電子、通信、航空、航天、兵器、船舶、車輛、建筑、服務(wù)業(yè)等等各行各業(yè)??偟脕碚f,地球上的晶體管數(shù)量一直在持續(xù)增加。假想以某一個(gè)球體將整個(gè)地球包裹,并以該球體做為系統(tǒng)空間,其空間內(nèi)的功能密度總是在持續(xù)不斷增加,并且會(huì)在人類可以預(yù)見的未來,一直持續(xù)下去。人類宇宙空間(Human Cosmic Space):以地球?yàn)橹行?,以人類目前已?jīng)登陸的最遠(yuǎn)星球到地球的平均距離為半徑畫一個(gè)球體,這個(gè)球體內(nèi)包含的空間稱為人類宇宙空間。?示意圖如下所示。
目前,因?yàn)槿祟愐呀?jīng)登上月球,人類宇宙空間是為以地球?yàn)橹行?,以地球到月球的平均距離為半徑的球體體積。隨著人類探索宇宙的深入,人類宇宙空間這個(gè)球體也會(huì)越來越大,由于人類登陸新的星球只能是一步一步進(jìn)行,每一步都會(huì)間隔較長的時(shí)間,因此,在某個(gè)相對較長的時(shí)間區(qū)域內(nèi),人類宇宙空間是相對固定的,這就便于我們定義其空間內(nèi)的功能密度。當(dāng)人類又登陸了新的星球,人類宇宙空間的范圍就需要重新定義了。在功能密度定律及人類宇宙空間的基礎(chǔ)上,我們定義廣義功能密度定律。廣義功能密度定律 (General Function Density Law) :在人類宇宙空間所包含的球體內(nèi),沿著時(shí)間軸,其功能密度會(huì)持續(xù)增加,這就是廣義功能密度定律。在人類宇宙空間,隨著人類文明的進(jìn)步,其功能密度也會(huì)不斷增加,即單位空間內(nèi)的功能單位數(shù)量也會(huì)持續(xù)增加。隨人類探索宇宙腳步的邁進(jìn),人類宇宙空間會(huì)變得越來越大,每一個(gè)人類宇宙空間內(nèi)的功能密度也會(huì)持續(xù)增大,這就是廣義功能密度定律的意義。從地球到月球再到火星,從太陽系到銀河系再到更廣闊的宇宙空間,人類探索的腳步永不停止,廣義功能密度定律也會(huì)隨著人類的探索宇宙腳步的邁進(jìn)而適用到更大的空間。
- 作 者 新 書
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功能密度定律提出迄今為止已有581天(2020.1.20~2021.8.23)—— Suny Li