摩尔定律与基辛格规则

一、摩尔定律
    摩尔定律是指IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。摩尔定律是由英特尔(Intel)名誉董事长戈登·摩尔（Gordon Moore）经过长期观察发现得之。
    到底什么是"摩尔定律'"？归纳起来，主要有以下三种"版本"：
    1、集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。
    2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半。
    3、用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。
    以上几种说法中，以第一种说法最为普遍，第二、三两种说法涉及到价格因素，其实质是一样的。三种说法虽然各有千秋，但在一点上是共同的，即"翻番"的周期都是18个月，至于"翻一番"（或两番）的是"集成电路芯片上所集成的电路的数目"，是整个"计算机的性能"，还是"一个美元所能买到的性能"就见仁见智了。

二、基辛格规则
    “基辛格规则” 是相对于“摩尔定律”而来的，同样这个规则也是以处理器业界闻名的英特尔首席技术官帕特·基辛格名字命名的。这个规则内容如下：
    今后处理器的发展方向将是研究如何提高处理器效能，并使得计算机用户能够充分利用多任务处理、安全性、可靠性、可管理性和无线计算方面的优势，而使用多内核的处理器。多内核处理器不仅仅是通过提升处理器的频率来提升性能，更通过提升晶体管的性能来再次带动处理器性能的提高。”
    简单说就是“摩尔定律”是以追求处理性能为目标，而“基辛格规则”则是追求处理器的效能，虽然只有一字之差，可是却相差甚远。效能强调的是处理器的每单位功耗发挥的性能，即性能除以功耗。


补充知识一：微处理器衡量的新标准
    微处理器性能＝频率×每个时钟周期的指令数，即Performance = F*IPC（F为频率，I为高级语言程序编译后在机器上运行的机器指令数目，C为执行每条机器指令所需的平均机器周期）。要提高微处理器的性能，可以通过提高其运行频率和提高每个时钟周期处理的指令数目。
    微处理器功率=频率×寄生电容×工作电压的平方，即Power = f*C*V2（f是开关频率，C是电容负载，V是电源电压）。要减少微处理器的功耗，可以通过减少其运行频率、减少工作电压和寄生电容。
    对于相同制造工艺的处理器来说，提高运行频率可以提高其性能，但频率越高所消耗的功率也越高。显然，不断提高主频的做法会遇到瓶颈。处理器的主频越来越高，其带来的功耗和散热问题，让芯片设计师很难比较圆满地解决。为减少功耗，就要降低运行频率、工作电压和寄生电容。
    如果把微处理器看做一个能量转换器，那么就会很自然地提出衡量它的一个主要指标—转换效率问题，导致出现了业界对微处理器评价的新标准：微处理器效能=每指令耗能(Energy per Instruction，EPI)和每瓦效能P/W的概念。EPI值越大，处理器的能源效率就越差，后者则刚好相反。一颗微处理器的EPI决定因素有三个方面：设计(包括微架构、逻辑、电路、布线等等)、加工工艺和供电电压。

补充知识二：晶体管数目提升遭遇的瓶颈——隧道效应
    所谓隧道效应，是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为1nm（1e9m），如氧化薄膜），当两端施加势能形成势垒V时，导体中有动能E的部分微粒子在E<V的条件下，可以从绝缘层一侧通过势垒V而达到另一侧的物理现象。
    微处理器芯片所面临的问题可以总结为“差别”与“控制”。晶体管基本上是微小的控制开关，里面包含了 “源极”（source，电子的源头），“汲极”（drains，电子的去处），以及专门控制信道内的电流以及连接源极和汲极的“闸极”（gate）。当电流从源极流向汲极时计算机就将他读为"1"；当电流不流动时，晶体管就读做"0"。数以百万计的这些活动总结为个人计算机内的资料，因此，若要让这些活动产生可靠的结果，一定要能严格格控制好闸极与信道。
    然而，当闸极的长度小于5纳米时，就会开始产生隧道效应（tunneling effects）。由于源极和闸极会非常接近，因此电子将会自行穿越信道。Garnini以小路碰上瀑布来比喻这个现象。如果不知道瀑布有多深，大家就会绕道而行；如果水幕只是薄薄一层，大家就会直接穿越它。他表示：“如果你设了屏障，电子会有一定距离的穿透。一旦两个区域的距离够近，由于隧道效应之故，电子将会从A走到B，就算闸极上没有电压。” 这时候，晶体管就变得不够稳定，无法成为基本资料的根源，因为其“自发传输”（spontaneous transmission）的机率大概是50%。换句话说，海森堡（Heisenberg）的“不确定定理”（uncertainty principle）就会开始发生作用，电子的位置就无法精确的预测。

补充知识三：处理器频率提升遭遇的瓶颈——能耗
    英特尔从P4开始采用增加管线长度的方法来提升工作频率，但前进至3GHz以上后，遭遇到因漏电流问题导致产生大量废热，限制芯片频率提升的瓶颈，通过增加管线长度来提升工作频率的技术已经走到尽头。