美国工程师戈登-摩尔（Gordon Moore）在1965 年的一篇论文中预测，在未来十年中，集成电路（"微芯片"）上的晶体管数量每年都会翻一番。他的预测是正确的，他的理论实际上已成为计算机世界的基本定律。
当摩尔做出预测时，晶体管正在迅速缩小，每过一年，芯片上的晶体管数量就会增加一倍。随着时间的推移，这一趋势已放缓到每 18-24 个月一次。
然而，尽管近年来扩展速度有所放缓，但计算机芯片功率的指数级增长带来了改变生活的技术。粗糙的家用电脑将演变成精密的机器，这将导致高速互联网、智能手机和物联网（IoT）连接设备的兴起。
然而，随着工程师们努力在芯片上安装更多硅晶体管，摩尔定律似乎正在消亡。本篇文章将探讨摩尔定律在今天是否仍然适用，并针对物联网连接的现代计算重新思考摩尔定律。
无限指数增长可能吗？
摩尔定律认为，微处理器的增长是指数级的。理论上，晶体管可以越来越小。然而，进入 2020 年代，晶体管的尺寸显然已被逼到物理学的极限。
上世纪 40 年代发明晶体管时，它的单位是毫米。如今，典型晶体管的尺寸以几十纳米为单位，小了 10 万多倍。在同样小的面积上可以安装更多的晶体管，这意味着处理能力大大增强。
然而，更多的晶体管也意味着产生更多的热量。这意味着设计师和工程师必须考虑到数以亿计的晶体管会在人的头发丝宽度范围内产生热量。
这还不是唯一的障碍。量子力学本身也阻碍着我们。随着晶体管越来越小，不同晶体管区域之间的距离也越来越小。电子壁垒变得如此之薄，以至于电子可以直接穿过它们–这种现象被称为量子隧道效应。
如果晶体管元件（尤其是栅极氧化物）太薄，晶体管在关断位置时就会泄漏电流，而在理想情况下，根本不应该有电流流过。但是，外形尺寸真的扼杀了摩尔定律吗？
跳出框框思考问题
可以想象，要制造出基本上可以运行数月或数年的隐形计算机是非常具有挑战性的。这就是为什么制造下一代芯片的成本成倍增加。
当今最先进的微处理器，如英特尔数据中心处理器和手机中的比特应用处理器，都采用 7 纳米半导体处理器节点。这比大多数病毒都要小！
然而，摩尔定律在超低功耗、深度嵌入式领域仍然有效。正如我们之前提到的，Ambiq® 正在将两代半导体从 40 纳米工艺迁移到 22 纳米工艺，以利用我们独特的电路设计和架构。
随着新一代科技消费者越来越青睐移动和便携式设备，功耗变得与性能同等重要。随着摩尔定律走向物理极限，能效成为计算领域的新前沿，对于嵌入物联网的移动设备而言尤其如此。
新来的孩子
2015 年 11 月，Ambiq 提交了其 Apollo SoC，用于ULPBench 测试。ULPBench 由嵌入式微处理器基准联盟 (EEMBC) 开发，是一种标准化基准，用于测量超低功耗嵌入式微控制器 (MCU) 的能效。
该基准将典型的低功耗设计工作量标准化，并测量完成该工作量所需的实际能耗。这种方法将 MCU 运行中的许多不同行为标准化，如活动电流、睡眠电流、唤醒时间、内核效率和高速缓存效率。
然后，所有这些数据都会被综合为一个对开发人员非常重要的值–完成特定应用所需的能量。
此前的最高基准是 187.7。Ambiq 的 Apollo SoC 打破了这一记录，比之前的最佳值377.5 高出一倍多。从本质上讲，Ambiq SoC 的能效提高了一倍，是电池供电的可穿戴设备和其他能耗敏感型物联网设备开发人员的理想之选。
2 倍的功耗节省对嵌入式设计人员和科技消费者都有巨大的意义。设计人员可以将节省的功耗重新用于延长电池寿命或增加其他功能，而消费者则可以享受到具有更多功能的更长寿命设备。
那么，是什么让 Ambiq 的 Apollo SoC 击败了 ULPBench 呢？亚阈值电压电路。我们将亚阈值电压电路应用到我们的专利亚阈值功率优化技术（SPOT®）平台中，利用它在更低的电压下有效运行普通微处理器。
秘制酱汁
亚阈值电路的工作电源电压低于典型 1.8V 或 3.3V MCU 的阈值电压。与标准 IC 实现相比，Ambiq 的 SPOT 平台可在低于 0.5V 的亚阈值电压下操作晶体管，从而实现显著的节能。
晶体管在亚阈值电压下工作有一些主要好处。首先，在这些较低的工作电压下进行状态切换可降低动态能耗。此外，"关断 “晶体管的漏电流可重新用于执行大多数计算，从根本上利用了之前损失的电能。
Ambiq 的技术通过降低芯片内部开关时的电压水平，减少了半导体的能耗。这使得可穿戴设备等产品能够开发出更持久的电池电量。
SPOT 的奇迹
对于消费者来说，Ambiq 的 SPOT 平台意味着他们的智能手表或健身追踪器可以拥有更长的电池寿命，比以前延长数周或数月。
更重要的是（没有双关的意思），这种能效上的进步可能会迅速导致摩尔定律的新一轮迭代，即嵌入式微处理器的功耗每隔几年就会降低一半。
这对于电池供电的可穿戴设备和其他能源敏感型物联网设备的开发人员来说是个好消息。这种功率性能上的飞跃为全新的消费类产品打开了一扇新的大门，在不增加功率预算的情况下，将电池寿命延长一倍以上或实现更多附加功能。
对于构成物联网的嵌入式智能传感器来说，能效是重中之重。这些传感器所安装的设备需要在没有大型电池的情况下也能正常运行，同时在没有充电的情况下也能持续运行数周。
尽管如此，Ambiq 亚阈值设计方法的优势意味着嵌入式设计人员希望改进去年的产品。他们可以轻松实现新功能，如心率监测传感器或始终在线的语音命令系统。
那么，是否还有其他？
摩尔定律颠覆了计算技术，为未来半个世纪的技术进步奠定了基础。我们就是这样从几台房间大小的超级计算机发展到数十亿部袖珍手机的。
现在的问题是，Ambiq 的技术能否为物联网带来类似的创新速度？
我们也这么认为。
即使摩尔定律已达到其物理极限，我们仍然可以遵循该定律的精神，跟上创新的步伐。摩尔定律在晶体管领域可能已经走到尽头，但对于物联网设备中的超低功耗嵌入式 MCU 来说，它仍然具有现实意义。
无论如何，整个半导体行业都将迎来更多的摩尔。
