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作业向文章，谁让我10月份很懒的没有写几篇文章呢…(作业向文章合集上W字了，还有写起来费劲的英文作文…）于是选择了能勉强发上来的文章凑数【拖走

摩尔定律的胜利

    看到最早的晶体管竟然如此简陋，再看看现在晶圆上数十纳米的CPU制造工艺，不禁令我们感慨万千。而在这个发展速度令人咂舌的领域，一条简单的、看似随口一说的定律一直成立着—摩尔定律。

第一次听说这条定律的时候，桌面CPU还是奔腾4的天下。集成电路的技术在飞速发展，而价格一直在下降。“每1.5年集成度翻番”的预言确实不断在被事实验证。

那时候的电脑基本都是单核心CPU，于是就出现了问题。众所周知，发热过高会导致元器件电气特性发生改变，轻则运行不稳定，出现错误，重则烧毁设备。因此，才会有庞大的风扇，水冷等散热装置来确保CPU运行稳定。随着集成度不断提高，CPU主频率不断上升，随之而来的功耗和发热量也越来越高，这向摩尔定律发出了挑战。

就在人们又开始怀疑摩尔定律是否仍旧成立之时，新的CPU架构和多核处理器的发展解决了散热、功耗问题，同时保证了任务的处理速度，再一次证明了摩尔定律。双核、四核处理器开始走进寻常百姓家。同时，在大规模并行计算领域，也有新的理论和解决方案出现。同时，人们发现，对于某些浮点运算，GPU的能力更胜一筹，于是也让GPU分担CPU的工作，软件和硬件双管齐下，使得计算能力不断创造着记录。

2012上半年， Intel 推出了22nm Ivy Bridge架构处理器，创新地使用了3D晶体管技术，使得传统平面上的集成电路向“天空”发展，晶体管集成度更上一层楼。3D晶体管技术能更好的控制晶体管的开关、最大程度有效利用晶体管开启状态时的电流，并在关闭状态时最大程度减少电流，实现性能最大化，更加节约能源，在低电压下有着出色的表现。这再一次验证了摩尔定律的成立。

同样，对于存储领域，也有着一条类似的定律。从单位GB的价格上就能直观的感受出来。比如，在2003年，一块桌面级40G的硬盘价格大约是500元，而如今一块1T硬盘不过500元，经过短短11年，同等价位（没有计算通货膨胀等因素）的硬盘，容量平均每1.5年翻1.6倍！

存储领域不像中央处理器那样严格按照摩尔定律发展。之前，一直有不尽如意之处，那便是读写速度没有明显提升。这可以说是机械硬盘的硬伤。人们为了让读写效率更高，用GMR（巨磁阻）以及垂直存储技术增加单碟容量，增加硬盘转速，给硬盘配上更大的缓存，改进总线，将多块硬盘组成RAID（冗余磁盘阵列）等等，但都没有从根本上解决硬盘的读写效率问题。然而，近年来SSD（固态硬盘）走进了我们的视野。以往SSD用于军工领域较多， SSD技术成本较高，闪存价格较贵，民用大批量生产工艺还不成熟，导致SSD价格普遍很高，因此民用领域，尤其是在桌面级别含有见闻。

然而，SSD在读写速度方面相对机械硬盘有着巨大的优势，这是因为SSD与传统机械硬盘的工作原理完全不同。传统硬盘在工作时磁头会频繁移动，存在寻道时间，在读写小文件时有可能因为物理位置而导致速度变慢。而SSD就不存在这些问题。同时，由于没有机械硬盘的转动结构，抗震更好，同时工作温度很宽。随着技术的成熟，人们需求的增加，近两年民用固态硬盘飞速发展，控制芯片发展迅速，闪存工艺提升。仅在2012年内，SSD单位GB价格就下降了一倍左右。人们为了综合SSD的性能优势和传统机械硬盘的容量优势，可以混合使用两种硬盘，将操作系统等常用程序放于SSD，将多媒体、文档等数据放于机械硬盘。或者，对于追求轻便的移动设备、笔记本电脑来说，干脆直接使用SSD，比如苹果的Air，机身的厚度甚至不及一块普通的2.5寸移动硬盘。

 

暂且不论尚有很大发展空间的SSD，对CPU而言，摩尔定律真的会如此一直成立下去吗？我们知道，按照现有工艺，电路如果集成度再增加几倍，量子效应便会直接影响到集成电路的正常运行。现有技术理论难以解决这其中的许多问题，必须要考虑用量子理论进行修正等等。退一步讲，原子也是有大小的，电路不可能比它还小吧？也许过不了10年，摩尔定律便会失效。

俗话说车到山前必有路。纵观整个微电子行业的发展史，我们不难发现新的技术一直在产生，一直在解决着当时的难题。尽管人们不断质疑摩尔定律，摩尔定律却一直成立。现在我们面临的也是类似的情况，而且我们已经看到了曙光。

 

2010年，诺贝尔物理学奖颁发给了成功分离石墨烯的科学家，这项成果是在2004年取得的。诺贝尔奖一向需要很长的评估时间才会最终颁发，有很多成果是在二、三十年后才获得诺贝尔奖的，而这次如此短的时间内便获得了诺贝尔奖的石墨烯研究，可想而知其价值有多么巨大。

    石墨烯有着无比神奇的导电性能。经过实验，人们发现石墨烯中载荷子的移动速度非常快，可以达到光速的1/300，是硅的100倍。这使得石墨烯中的载流子明显地表现出量子电动力学中的一些特性。从而极有可能大大超越硅半导体的集成程度。

    我们知道，粒子是具有波粒二相性的，可以看作是分布在空间各处的波。比如说，一个能量较低的电子在遇到势垒时，就会有一定概率穿透势垒到另一边去。一般来说，这种“瞬移”的概率不大，基本不影响经典的宏观效应。然而，石墨烯中载荷子以极快的速度运动到势垒前时，穿过的概率却可以达到百分之百！同时，石墨烯可耐受1亿～2亿A每平方厘米的电流密度，这是铜耐受量的100倍左右，而现有的晶体管蚀刻用的主要导电材料恰恰是铜。

    这些特性，使石墨烯有无以伦比的优势。石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管，并且这些晶体管的开关时间会大大缩短，稳定性更高，发热量也将大大减少。通过调整双分子层石墨烯的能带隙可以把它从金属转变到半导体，双层石墨烯的1平方毫米的薄片上可装有数以百万计的不同的电子设备！ 2010年2月，IBM宣布实验室中石墨烯晶体管的运行频率已达到100GHz（《Science》 2010.2）。到2011年4月，IBM向媒体展出了运行频率150GHz的石墨烯晶体管，比起上一年的样品，不仅快了50%，还有着更强的温度适应性以及更小的体积。照此趋势发展，石墨烯定将为集成电路领域带来一次巨大的革命。

    2012年10月9日，2012年诺贝尔物理学奖揭晓，法国科学家塞尔日·阿罗什与美国科学家大卫·维因兰德获奖。获奖理由是“发现测量和操控单个量子系统的突破性实验方法”。这项研究使得基于量子物理学而建造的计算机迈出了新的一步。

    我们知道，传统计算机用二进制表示程序数据，这与二进制恰好对应“开”“关”两种状态有关。通过一系列逻辑门，实现半加器、全加器，进而实现各种各样的指令集。而量子计算机的运算，可以理解为同时包含多种状态的传统计算机，在运算中0和1处于不确定的状态，对于每一种可能的运算情况，量子计算机能同时进行处理，直到通过人们的观测得到运算结果。量子计算机实现的是并行的计算。

    量子计算机在理论上还不够完善，当然现在也还没有一个可以实际使用的产品。尽管如此，近年来的一系列成果让我们对量子计算机充满信心，我们知道，一旦量子计算机实现，它将拥有革命性的量子并行计算能力，远远高于现有的传统计算机。

    与此同时，生物计算机的相关研究也在进行。科学家们用DNA、RNA和蛋白质在纳米尺度上进行组装。事实上，早在1997年，科学家用DNA分子实现了计算机的基本器件逻辑门，让传统的布尔逻辑运算成为可能。2012年6月，美国加州理工学院的研究者制造出了由74个DNA分子组成的生化电路，可以计算一个小于15的整数的平方根。

    生物计算机利用了基本的化学原理，利用了我们在高中就熟知的碱基对互补配对原则。而这些结构、原理，是大自然的杰作，天然高效，能耗极低，集成度高，最关键的是能平行进行数万亿个生物化学反应，定然也就有非常出色的运算能力。可想而知，生物计算机有着很大的前景。

    石墨烯，量子计算机，生物计算机，每一个领域都充满了无限的可能，也充满了重重挑战。我认为，摩尔定律很有可能因为这些领域出现突破，实现新一代的计算机，从而得以继续成立。尽管摩尔定律也许并不是真正意义上的“定律”，但它表现出的是人们对计算机发展的自信。也许并不是人们无意间“验证”了这条定律，而是摩尔定律一直激励着人们不断探索，不断创造，从而推动信息技术的进步和发展。