戈登摩尔和摩尔定律

戈登·摩尔和摩尔定律

老钱１９７１年，英特尔开发出了世界上第一个微处理器（CPU）４００４，４００４的第一个４是指这是4位CPU，后一个4是指这是英特尔制造的第４个专用芯片。４００４只是IntelMCS-4系列的其中一块芯片，它需要与另外三块芯片协同工作，包括用于存储数据的４００１（DRAM）、用于保存用户指令的４００２(ROM)和用于处理I／O接口的４００３(寄存器Register)。４００４是最关键的中央处理器芯片（CPU），用户只需改变４００２中的指令，就可以让４００４实现不同功能。４００４采用的是１０微米的工艺，有２２５０个晶体管，时钟频率为74KHz，每秒可执行６万次运算，售价２００美元。这是一款划时代的产品。作为历史上第一款CPU，它为电子计算机的发展掀开了崭新的一页。英特尔推出４００４时，摩尔用少有的夸张口气说到：“这是人类史上最具革命性的产物，我们才是这个时代的革命者，而不是那些在伯克利和其他地方留着长发闹事的学生。”摩尔说的不错，正是这一款单一芯片上的计算机，改变了人们的生活方式，引领了第三次工业革命。而肖克利、诺伊斯、基尔比、摩尔才是真正意义上的革命者。

英特尔“三驾马车”：诺伊斯、摩尔和格鲁夫１９７２年，英特尔推出4004的下一个版本8008，这是一款八位的CPU。１９７４年，８０８０问世。英特尔意识到CPU应用前景是无限的。８０８０首次使用了MOS技术，８０８０是有史以来最成功的CPU之一，也是第一个真正的通用微处理器，是２０世纪后２５年里的一项最具划时代意义的发明。它的功能是８００８的十倍，每秒能执行２９万条指令，有６４位的可设定地址存储器，售价３６０美元。英特尔芯片的销量因此扶摇直上。８０８０真正地推动了微机市场，也成了工业标准，英特尔占领了８０％的微机市场。一段时间里，英特尔用８０８０作为其电话的最后四位。１９７８年，８０８６问世。１９８２年，１６位的８０２８６问世。IBM进入PC市场，微软和IBM签订协议，为IBM－PC提供DOS操作系统。很快，IBM和微软联手把苹果挤出了PC市场。１９８５年，３２位的８０３８６问世。康柏(Compaq)于１９８６年制造出了第一台３８６PC，从此，任何人只要能设计主板就能生产PC了。PC产业开始由英特尔和微软联手主宰。１９８０年代末，英特尔在技术领域里受到了一次严峻的考验。那就是RISC指令集的挑战。１９８０年代中期，斯坦福大学的翰尼斯(JohnHennessy)教授和加州大学伯克利分校的彼特森(DavidPatterson)教授，提出了基于RISC指令集的CPU设计理念。这是一种简化的CPU指令集，它的好处是利于CPU的优化设计。因为这两位教授的教科书是美国电机系的通用教科书，一时间整个计算机设计行业都认为基于RISC指令集的CPU优于基于CISC指令集的CPU。这对以CISC指令集为主要设计理念的英特尔是一个极大的冲击和考验。英特尔首先于１９８８年推出了RISC指令集的CPU８０９６０，但是用户反映不佳。稍后的１９８９年，英特尔又推出了RISC指令集的CPU８０８６０，但是用户反映还是不好，主要是系统和软件的兼容问题。于是，英特尔决定，以用户要求为设计主旨，坚持设计高端的CISC指令集CPU。?

工作中的摩尔１９８９年，３２位的８０４８６问世。芯片上的晶体管数目到了一百二十万，时钟频率为５０兆赫兹，线宽０．８微米。４８６其实只是在３８６上加了一个CPU的内部缓存（cache）。当时人们对此并不太在意，但此举在一九九零年代里，为英特尔的CISC指令集打败RISC指令集做了铺垫。１９９３年，靠４８６，英特尔超过了日本的NEC，成为世界上最大的半导体公司。从１９８５年，英特尔放弃储存器起，英特尔花了八年时间再次站在了半导体工业的顶端。早在１９９０年初，英特尔就从４８６的设计小组里抽调出了一些人，着手从事Ｐ５也就是奔腾芯片的设计。Ｐ５必须和４８６完全兼容。但此时最重要的是如何使CISC指令集的ＣＰＵ具有RISC指令集CPU的功能。英特尔在以色列的工程师尤里·维塞对此下了很大功夫，他把超量化（Superscalar）概念用到了CISC指令集的CPU上。就是用多个执行单元，在一个时钟周期内执行多个指令，而不是像RISC一个时钟周期只执行一个指令。也就是说在CPU指令的层次上实现并行化。超量化的概念最早由技术机天才克雷（SeymourCray）提出，他在１９６８年设计的CDC６６００上使用过。维塞带领一个小组先在计算机上进行模拟，结果非常令人满意。维塞发现CPU指令集和实现它的微电路，可以是完全独立的。在一个时钟周期内完全可以在多个执行单元上同时执行多个CISC指令集。模拟结果说明：只要在设计上稍加改进，英特尔现有的CISC指令集CPU完全可以胜过RISC指令集的CPU。在英特尔进行此类研发的同时，升阳公司也在做RISC的超量化研发。升阳比英特尔先一步做出了他们的CPU，但当时升阳的CPU无法让用户马上使用。同时，升阳CPU的时钟频率一直无法超过５０兆赫，英特尔为此大大加快了研发速度，终于在１９９３年完成了３２位的超量化CISC指令集CPU——奔腾。１９９３年，３２位奔腾芯片问世。芯片上的晶体管数目到了三百二十万，时钟频率为７５兆赫兹，线宽０．６微米。奔腾非常受PC厂商的欢迎，因为以前PC上的软件在奔腾CPU上完全兼容。PC的速度加快了，但软件照样能用，这对PC制造商和终端用户都是好事。从此，英特尔的CPU不但是市场上的主流，也在技术上成了领先产品。２０００年，３２位奔腾－４问世。芯片上的晶体管数目到了四千二百万，时钟频率为１.５千兆赫兹，线宽０.１８微米。在奔腾升级的同时，英特尔开始了第六代CPU的设计。此时的英特尔已经有能力从事全新的CISC指令集CPU的研发了。为了更好地满足终端用户即软件工程师的要求，英特尔在设计CPU时，发明了动态执行技术。这一技术结合了三个数据处理技术：多通道预期、数据流分析、关联执行。该技术和传统的循序执行指令的技术不同，执行一个指令无需等到前一个指令的完成。从CPU的指令执行上做到了按软件优化。这一技术使得软件得以更有效地执行。同时，英特尔还引进了双重独立主线的设计理念，使CPU能充分发挥其多核功能。这两种全新的设计理念使得英特尔的CISC指令集CPU全面超出了RISC指令集CPU的功能。２００１年，英特尔第一款６４位CPU问世。该芯片使用了新的指令集和动态执行技术及双重独立主线设计理念，芯片的时钟频率为８００兆赫，２兆的cache。翰尼斯教授和彼得森教授把英特尔全新的指令集写进了他们新版教材。此后，各个计算机工作站厂商也开始大量使用英特尔的CPU。英特尔以技术领先的CPU全面占领了CPU市场。２００５年，６４位的奔腾－Ｄ问世。芯片上的晶体管数目到了二亿三千万，时钟频率为２.６６千兆赫兹，线宽９０纳米。１纳米为１０Ａ，一个氧化硅分子的大小为４.２Ａ。２００６年，Ｉｎｔｅｌ的多核处理器技术问世，伺服器和工作站开始广泛采用这一芯片。苹果的笔记本电脑和台式机也开始采用该芯片了。芯片上的晶体管数目到了二亿三千万，时钟频率为３千兆赫，线宽６５纳米。

自信满满的摩尔２００６年底，英特尔最新芯片上的晶体管数目到了八亿二千万，时钟频率为３．３千兆赫，线宽４５纳米。２０１１年，ｉ７问世，芯片上的晶体管数目到了二十二亿七千万，时钟频率为４千兆赫，线宽３２纳米，功耗１３０Ｗ。２０１２年，ｉ７－３７００Ｋ问世，芯片采用了最新的fin－fet技术，时钟频率为４千兆赫，线宽２２纳米，功耗仅４５Ｗ。现在，计算机的硬件功能和内存已经极为强大，就连硬盘都已改用闪存技术了，即固体电子硬盘。PC的速度已远远超出了当年摩尔和“八人帮”的想象。但是，让人惊讶的是，这一切基本上是一直沿着摩尔定律走过来的。为什么摩尔定律会如此精准地预言芯片产业的走向呢？这和芯片产业的特性是分不开的。芯片上的晶体管尺寸的减小有两个效益：一是提升了芯片功能、降低了成本；二是利于设计。于是，为了更好地提高竞争能力，芯片产业必须不停地改进工艺减小晶体管的尺寸。那为什么一代新技术要１８个月到两年的时间来完成呢？那是因为一代新技术的研发要有几个步骤：先要用三个月的时间制定规格选择工艺；然后需要一年到一年半的时间开发工艺、完成设计；最后需要三个月的时间使其能量产。如果产品是公司独占的高端产品，那么可能需要两年时间。如果产品有很多竞争对手，那么这一过程必须在一年半之内完成，否则的话你的技术优势很快就会丧失，紧接着市场也会跟着丧失。摩尔定律对整个半导体工业也非常重要：首先，它预测了半导体技术的进展、产品的复杂性。于是，竞争对手之间在工艺上几乎没有秘密，而设计和市场则成了重点。第二，在产品定价和升级上，它给出了一个方向。芯片产业市场规模的成长速度远高于价格下跌，而扩大市场带来的收益足以保证新技术和新产品的开发，新产品进一步推动了新市场，形成了一个良性循环。第三，是量产。因为芯片技术的特殊性，把晶体管做的越小、晶圆做的越大，芯片的质量和可靠性就越好。于是，业内的各个公司必须不断地提高其工艺水平，以创新来取胜。摩尔定律的另一个重要意义是产品的自我淘汰，任何芯片在按摩尔定律发展的同时，也是对自己的否定和淘汰。生产工艺每一年半到两年更新一次，意味着产品也必须在这一时间段里更新换代。这就使产品的性能和功能也要能跟上生产工艺的进步，同时还要考虑到用户的兼容性。说到底终端用户才是真正的胜者。摩尔定律对软件产业也有一定的影响。之前，因为大型机主导计算机行业，计算机的使用率很低。软件一般是为某种型号的计算机而编写的。因此，价钱很高。到了ＰＣ时代，计算机已大大地普及，当硬件在按摩尔定律发展时，其影响已进入到软件行业。这一点上英特尔和微软的联合就是一个绝佳的例子。以微软的Windows3.0为例。最初的康柏在它的３８６机器上就装了Windows3.0，但是效果不佳。英特尔的４８６出现，Windows3.0不需任何改动就在其上运行，并充分发挥作用。此后，软件公司可以在摩尔定律的指导下，设计自己的软件架构，来充分发挥硬件的特长，以此来获得市场先手。于是，当英特尔的CPU中加入了多媒体技术MMX后，微软就很快跟进了。于是，微软再次先于其他软件公司占领市场。在制造CPU的同时，英特尔也造就了一个全新的产业。在摩尔的领导下，英特尔除了制造CPU之外，还提供了一个完整的产品系统给用户。这包括周边芯片、开发系统和技术支持。英特尔将产品介绍给用户的所有相关人员：高级管理人员、系统工程师、和采购经理。英特尔还将公司的长期开发计划与用户结合，于是英特尔和微软创造了一个全新的巨型产业——PC产业。英特尔刚成立时，摩尔是执行副总裁。１９７９年，摩尔任英特尔总裁和首席执行官。与诺伊斯相比，摩尔更擅长的是管理不是领导。摩尔必须同时从商人、工程师和科学家的角度来决策。在确定投资一项新技术一个新市场时，有时很难选择。摩尔认为，最糟的是不做任何选择，决策难以制定，说明选择间的差别很小。摩尔说“既然选哪一个都差不多，你完全可以用抛硬币的方法来决定。这是最简单的方法。”

二位老友：摩尔和格鲁夫１９８５年，摩尔与格鲁夫有过一次著名的谈话。当时，４９岁的英特尔总裁格鲁夫在办公室里与董事长摩尔讨论公司的困境，那时的英特尔是一个年销售额为１６亿美元的半导体存储器公司，在廉价的日本半导体存储器产品攻势下，公司前景不妙。格鲁夫问：“如果我们下台，另选新总裁，你认为他会采取什么行动？”摩尔想了一下说：“放弃存储器。”格鲁夫望着摩尔说：“那我们现在就放弃！”不久，英特尔完全放弃了存储器的生产，而将微处理器确立为新的战略重点。这一举动使标有英特尔字样的ＣＰＵ装进了世界８０％以上的PC。１９８９年，摩尔从总裁和首席执行官的位置上退了下来。１９９７年，摩尔成为英特尔董事会的名誉主席。作为公司董事会的名誉主席，他每周都工作，他的影响力无处不在。１９９０年，摩尔被布什总统授予国家技术奖。２００１年，摩尔退出了英特尔董事会。摩尔说过：“高科技的飞快进步，创造了一个疯狂的商业环境。如果没有创新，不能降低价格，那么你的对手很快就会把你吃掉。”摩尔对现在的集成电路技术信心十足：“我是一位化学家，我不认为现在的技术会被淘汰。但我也有可能错，可能过于局限于自己的技术。”摩尔这样说过：“我们要为芯片寻找一种基质，为此我们考察了地球的基质。它就是沙粒，于是我们使用了沙粒。我们需要为芯片上的线路和器件寻找一种金属导体。我们考察了地球上的所有金属，发现铝是最丰富的，所以我们使用了铝。”

摩尔和贝蒂摩尔是英特尔的心脏。在硅谷，尤其是在英特尔，摩尔是最令人敬佩的公司创始人之一，也是最受人尊敬的科学家。在成就英特尔的同时，摩尔也为自己挣得了巨额财富，很长一段时间内，摩尔一直是加州首富，一位安详的亿万富翁。

摩尔和他钓的大鱼摩尔不喜欢在公共场合露面，他的最爱是在旧金山湾区钓鱼，在海上驾船漫游。摩尔喜欢大自然，还因此激发了他对保护自然资源的兴趣。２０００年，摩尔和妻子贝蒂一起捐款５０亿美元发起成立了“戈登·摩尔与贝蒂·摩尔基金会”，是为美国最大的慈善基金会之一。２００５年，《商业周刊》发布的２００５年美国５０位最慷慨慈善家排行中，摩尔夫妇在2001年至2005年期间共捐款70.46亿美元，比尔·盖茨夫妇在该期间内捐款为54.58亿美元。摩尔夫妇是美国最大的慈善家。如今，摩尔对保护自然资源的兴趣大于一切。他的基金会主要用于环境保护及科学和高等教育上。他和妻子说，“我们比政府更会花钱。”摩尔基金会每年的预算达二千万美元。２００１年，摩尔和妻子向加州理工捐赠了六亿美元，这是至今为止向高校单笔捐赠的最大数目。摩尔希望加州理工能够保持研究和技术上的优势。从１９９４年至２０００年摩尔任加州理工的理事会主席，他现在仍为该校理事。剑桥大学数学中心图书馆以及加州理工学院的摩尔实验室是以他和他的妻子命名的。今天，这位身价超过５４亿美元的老人表示，要在余生中将自己的财富发挥出最大的作用。