既然摩尔定律已经要走到尽头了,就需要有一个新的定律来接替摩尔定律,有什么定律能接替摩尔定律呢?
这就是我们今天要提出的:“功能密度定律”(Function Density Law)。
功能密度定律:对于所有的电子系统来说,沿着时间轴,系统空间内的功能密度总是在持续不断地增大,并且会一直持续下去。
Function Density Law:For all electronic systems, along the time axis, the function density in system space is constantly increasing and will continue.
下图为功能密度定律的曲线描述:
从以上曲线可以看出,电子系统的功能密度会随着时间延续而持续地增长,其增长的快慢在不同的历史时期会有所不同,如果有新的技术的突破,其增长的就会比较快,如果没有新技术突破,其增长则会比较缓慢,但总的趋势是不断增长。
要理解功能密度定律,首先我们要理解什么是功能密度?
功能密度:单位体积内包含的功能单位的数量称为功能密度。
Function density: The number of Function UNITs contained in a unit volume is called function density.
功能密度中的关键词是功能单位,那什么又是功能单位(Function UNITs)呢?我们需要了解一下电子系统的6级功能分类。
电子系统6级分类法:
6-levels classification of electric system:
- 功能细胞,Function cell(FC),功能细胞是电子系统组成的最小功能单位,不可拆分,如果拆分,功能则会丧失,不可恢复,例如晶体管Transistor,电阻、电容、电感等都是功能细胞。
- 功能块,Function block(FB),功能块由功能细胞组成,具有一定的逻辑功能,例如,6个Transistor可以组成一个SRAM存储功能块,1个Transistor和1个电容可以以组成一个DRAM存储功能块,4个MOS管可以组成一个与非门或者或非门。功能块是具有特定功能的功能单位。
- 功能单元,Function unit(FU),功能单元由功能块组成,可以完成复杂功能的功能单位,例如算术逻辑单元(ALU),输入输出控制单元(IO Control Unit),中央处理单元(CPU)等,计算机的处理器,DSP,FPGA,存储器等都可以归属于功能单元这一级别的功能单位。
- 微系统,Micro System(MS),到这一级别,我们开始定义系统的概念,微系统可以独立完成系统功能,并且体积较小,通常并不直接和最终用户打交道,例如SiP, SoC,SoP等,微系统通常可由功能单元、功能块或者功能细胞组成。
- 常系统,Common System(CS),也可称之为常规系统,顾名思义就是常人能接触到的系统,一般是指和最终用户直接打交道的系统,这里的最终用户指的是人。例如手机,电脑,家用电器等都可称为常系统,常系统通常由微系统、功能单元组成;
- 大系统,Giant System(GS),一般是指复杂而庞大的系统,例如无线通信网络系统,互联网系统,载入航天系统、空间站系统等,大系统通常由常系统、微系统等组成。
在以上的定义中,功能细胞(FC),功能块(FB),功能单元(FU),都可以称之为功能单位(FUs),它们分别属于不同级别的功能单位。
我们再回顾一下功能密度的定义:
单位体积内包含的功能单位的数量称为功能密度。这其中的功能单位(Function UNITs)可以是:功能块(Function Block),功能细胞(Function Cell)或者功能单元(Function Unit)。
需要注意的是:在进行同一类型系统的功能密度比较时,需要采用相同级别的功能密度定义。例如,系统A、B、C的功能密度进行比较,A采用功能块(Function Block)作为功能单位来定义功能密度,则B和C同样需要采用功能块(Function Block)作为功能单位来定义功能密度。
3. 功能密度定律的意义
如果将功能密度定义中的功能单位具体为功能细胞(Transistor),并将其空间二维化,将其时间具体化,那么,功能密度定律就会缩化为摩尔定律。
如果将集成电路上的晶体管集成从二维平面扩展为三维空间,将晶体管扩展为功能单位,并将时间由具体变为趋势化,那么,摩尔定律就会扩展为功能密度定律。
我们也可以这么理解,对于电子系统的集成来说,摩尔定律是功能密度定律的在集成电路上特例,而功能密度定律则是摩尔定律在整个电子系统的扩展。