摩爾定律 vs 功能密度定律
[導讀]關鍵詞KeyWords摩爾定律，功能密度定律，功能密度，功能單位，電子系統(tǒng)6級分類法，功能細胞，功能塊，功能單元，微系統(tǒng)，常系統(tǒng)，大系統(tǒng)Moore'sLaw,FunctionDensityLaw,FunctionDensity,FunctionUNITs,6-levelclass...
關 鍵 詞 Key Words
摩爾定律，功能密度定律，功能密度，功能單位，電子系統(tǒng)6級分類法，功能細胞，功能塊，功能單元，微系統(tǒng)，常系統(tǒng)，大系統(tǒng)Moore's Law, Function Density Law, Function Density, Function UNITs, 6-level classification of electronic system, Function Cell, Function Block, Function Unit, Microsystem, Common?System,?Giant?system.
摩爾定律?VS 功能密度定律眾所周知，隨著IC工藝的特征尺寸向5nm、3nm邁進，摩爾定律已經(jīng)要走到盡頭了，那么，有什么定律能接替摩爾定律呢？這就是我們今天要提出的：“功能密度定律-Function Density Law”，簡稱“FD Law”。首先，讓我們回顧一下摩爾定律。
1.?摩 爾 定 律
摩爾定律（Moore's Law）是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）于1965年提出來的，至今已有55年。
摩爾定律內容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，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個月翻一倍以上。總得來說，摩爾定律有以下三種說法：1、集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18-24個月就翻一番。2、微處理器的性能每隔18-24個月提高一倍，而價格下降一倍。3、用一個美元所能買到的電腦性能，每隔18-24個月翻兩番。以上幾種說法中，以第一種說法最為普遍，第二、三兩種說法涉及到價格因素，其實質是一樣的。三種說法雖然各有千秋，但在一點上是共同的，即"翻番"的周期都是18-24個月，至于"翻一番"（或兩番）的是"集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目"，是整個"計算機的性能"，還是"一個美元所能買到的性能"就見仁見智了。這一定律揭示了信息技術進步的速度，盡管這種趨勢已經(jīng)持續(xù)了超過半個世紀，摩爾定律仍應該被認為是觀測或推測，而不是一個物理或自然法。摩爾定律到底準不準？讓我們先來看下面一張圖，從圖中可以看出，采樣點基本位于曲線的附近，可以看出摩爾定律基本上還是準確的。
摩爾定律并非數(shù)學或者物理定律，而是對發(fā)展趨勢的一種預測，因此，無論是文字表述還是定量計算，都應當容許一定的寬裕度。從這個意義上看，摩爾的預言是相當準確了，所以才會被業(yè)界人士的公認，并產(chǎn)生巨大的反響。"摩爾定律"的終結摩爾定律問世至今已55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元件數(shù)量會達到極限。從技術的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復雜性和差錯率也將呈指數(shù)增長，同時也使全面而徹底的芯片測試幾乎成為不可能。一旦芯片上特征尺寸達到1納米時，相當于只有5個硅原子的大小，這種情況下材料的物理、化學性能將發(fā)生質的變化，致使采用現(xiàn)行工藝的半導體器件不能正常工作，摩爾定律也就要走到它的盡頭了。
2.?功能密度定律
既然摩爾定律已經(jīng)要走到盡頭了，就需要有一個新的定律來接替摩爾定律，有什么定律能接替摩爾定律呢？這就是我們今天要提出的：“功能密度定律”(Function Density Law)。功能密度定律：對于所有的電子系統(tǒng)來說，沿著時間軸，系統(tǒng)空間內的功能密度總是在持續(xù)不斷地增大，并且會一直持續(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.下圖為功能密度定律的曲線描述：
從以上曲線可以看出，電子系統(tǒng)的功能密度會隨著時間延續(xù)而持續(xù)地增長，其增長的快慢在不同的歷史時期會有所不同，如果有新的技術的突破，其增長的就會比較快，如果沒有新技術突破，其增長則會比較緩慢，但總的趨勢是不斷增長。要理解功能密度定律，首先我們要理解什么是功能密度？功能密度：單位體積內包含的功能單位的數(shù)量稱為功能密度。Function?density: The number of Function UNITs?contained in a unit volume is called function?density.功能密度中的關鍵詞是功能單位，那什么又是功能單位（Function UNITs）呢？我們需要了解一下電子系統(tǒng)的6級功能分類。
電子系統(tǒng)6級分類法：6-levels classification of electric system:
- 功能細胞，Function cell（FC)，功能細胞是電子系統(tǒng)組成的最小功能單位，不可拆分，如果拆分，功能則會喪失，不可恢復，例如晶體管Transistor，電阻、電容、電感等都是功能細胞。
- 功能塊，F(xiàn)unction block（FB)，功能塊由功能細胞組成，具有一定的邏輯功能，例如，6個Transistor可以組成一個SRAM存儲功能塊，1個Transistor和1個電容可以以組成一個DRAM存儲功能塊，4個MOS管可以組成一個與非門或者或非門。功能塊是具有特定功能的功能單位。
- 功能單元，F(xiàn)unction unit（FU)，功能單元由功能塊組成，可以完成復雜功能的功能單位，例如算術邏輯單元（ALU)，輸入輸出控制單元（IO Control Unit），中央處理單元（CPU）等，計算機的處理器，DSP，F(xiàn)PGA，存儲器等都可以歸屬于功能單元這一級別的功能單位。
- 微系統(tǒng)，Micro System（MS)，到這一級別，我們開始定義系統(tǒng)的概念，微系統(tǒng)可以獨立完成系統(tǒng)功能，并且體積較小，通常并不直接和最終用戶打交道，例如SiP, SoC，SoP等，微系統(tǒng)通常可由功能單元、功能塊或者功能細胞組成。
- 常系統(tǒng)，Common System（CS)，也可稱之為常規(guī)系統(tǒng)，顧名思義就是常人能接觸到的系統(tǒng)，一般是指和最終用戶直接打交道的系統(tǒng)，這里的最終用戶指的是人。例如手機，電腦，家用電器等都可稱為常系統(tǒng)，常系統(tǒng)通常由微系統(tǒng)、功能單元組成；
- 大系統(tǒng)，Giant System（GS)，一般是指復雜而龐大的系統(tǒng)，例如無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)，互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，載入航天系統(tǒng)、空間站系統(tǒng)等，大系統(tǒng)通常由常系統(tǒng)、微系統(tǒng)等組成。
3.?功能密度定律的意義
如果將功能密度定義中的功能單位具體為功能細胞（Transistor），并將其空間二維化，將其時間具體化，那么，功能密度定律就會縮化為摩爾定律。如果將集成電路上的晶體管集成從二維平面擴展為三維空間，將晶體管擴展為功能單位，并將時間由具體變?yōu)橼厔莼?，那么，摩爾定律就會擴展為功能密度定律。我們也可以這么理解，對于電子系統(tǒng)的集成來說，摩爾定律是功能密度定律的在集成電路上特例，而功能密度定律則是摩爾定律在整個電子系統(tǒng)的擴展。
也許會有人問，為什么功能密度定義時用的不是確定的功能單位，而是三個層次的功能單位（功能塊FB，功能細胞FC，功能單元FU）呢？這是由于功能本身的復雜性和不確定性。例如，新技術的發(fā)展，功能塊的結構發(fā)生了進化，僅需要更小的功能塊（Function Block)?就可以實現(xiàn)同樣的功能，這樣，即使最底層的功能細胞（Function Cell）Transistor的數(shù)量沒有變化，其功能密度也同樣是增加的。比如我們通常用的SRAM需要6個晶體管（Transistor）可以實現(xiàn)一個存儲單元，稱為6T，一種新技術的出現(xiàn)據(jù)說可以用1個晶體管實現(xiàn)一個存儲單元，稱為1T，這樣，即使單位體積內的晶體管數(shù)量不變，其功能密度卻增加了6倍。以此類推......
4.?小結 和 展望
功能密度定律預測了電子系統(tǒng)集成的趨勢，并將成為判斷電子系統(tǒng)先進性的重要指標！摩爾定律是關于人類創(chuàng)造力的定律，實際上是關于人類信念的定律，當人們相信某件事情一定能做到時，就會努力去實現(xiàn)它。摩爾當初提出他的觀察報告時，實際上是給了人們一種信念，使大家相信他預言的趨勢一定會持續(xù)。功能密度定律同樣是關于人類創(chuàng)造力的定律，也是關于人類信念的定律，當人們相信電子系統(tǒng)空間內的功能密度一定能會持續(xù)增加時，同樣會努力去實現(xiàn)。功能密度定律（Function Density Law，簡稱FD Law）是作者Suny Li（Li Yang）于2020年1月20號在本文中首次正式提出。在此之前，作者經(jīng)歷了20年的電子系統(tǒng)設計，積累了豐富的項目經(jīng)驗，并且通過了長久的分析和思考而得出。功能密度定律（FD Law）會不會像摩爾定律（Moore's Law）一樣，成為電子系統(tǒng)集成的最重要定律呢？現(xiàn)在，我們還不急著給出定論，等十年以后的2030年我們再看吧！
不再糾結于二維平面尺度上晶體管的縮放，而把思維投入到更廣闊的空間，從多維度的集成，從結構化的創(chuàng)新，從更靈活的尺度去評判，去發(fā)展！理解并運用功能密度定律，你就不會再糾結摩爾定律的終結，因為新的空間已經(jīng)為我們打開，并且更為廣闊！
正如人們常說的：“山重水復疑無路，柳暗花明又一村！”
功能密度定律是作者在本文首次提出，或許還有其不完善的地方，也歡迎大家留言討論！
2020 0120
新 春 快 樂
???
下載文檔
