在 1965 年的一篇論文中，美國工程師戈登·摩爾 （Gordon Moore） 預測，積體電路（“微芯片”）上的晶體管數量將在未來十年內每年翻一番。他是對的，他的理論實際上將成為計算界的基本法則。
當摩爾做出預測時，晶體管正在迅速縮小，並且每年可以安裝在芯片上的晶體管數量增加一倍。隨著時間的推移，這種趨勢已經放緩至每 18-24 個月一次。
然而，儘管近年來擴展速度有所放緩，但計算機芯片功率的指數級增長帶來了改變生活的技術。簡陋的家用電腦將演變成複雜的機器，這將導致高速互聯網、智能手機和物聯網 （IoT） 連接的設備的興起。
然而，隨著工程師努力將更多矽晶體管塞進芯片上， 摩爾定律似乎正在消亡。這篇文章將研究摩爾定律在今天是否仍然適用，並重新思考它適用於物聯網連接的現代計算。
無限指數增長可能嗎？
摩爾定律說，微處理器的增長是指數級的。理論上，晶體管可以越來越小。然而，隨著我們進入 2020 年代，很明顯晶體管尺寸正在被推向物理極限。
當晶體管在 1940 年代發明時，它是以毫米為單位測量的。如今，典型的電晶體尺寸以 數十奈米表示，小了 100,000 多倍。更多的晶體管可以安裝在相同的小區域內，這意味著更多的處理能力。
然而，更多的晶體管也意味著產生更多的熱量。這意味著設計師和工程師必須考慮數億個晶體管產生人類頭髮寬度的熱量。
這並不是唯一的障礙。量子力學本身阻礙了我們。隨著晶體管變小，不同晶體管區域之間的距離也變小。電子勢壘已經變得如此薄，以至於電子可以直接穿過它們——這種現象被稱為 量子隧道效應。
如果晶體管組件（尤其是柵極氧化物）太薄，晶體管在關閉位置時會漏電流，而理想情況下，根本不應該有電流流動。但外形尺寸真的扼殺了摩爾定律嗎？
跳出框框思考
正如您可以想像的那樣，創建基本上是看不見的可以運行數月或數年的計算機是非常具有挑戰性的。這就是為什麼製造下一代晶片的成本呈指數級增長的原因。
當今的頂級微處理器，例如英特爾數據中心處理器和手機中的位應用程序處理器，都位於 7 納米半導體處理器節點上。這比大多數病毒都要小！
然而，摩爾定律對於超低功耗、深度嵌入的世界仍然有效。正如我們 之前提到的，Ambiq® 正在將兩代半導體從 40 奈米遷移到 22 奈米，以利用我們獨特的電路設計和架構。
隨著新一代科技消費者更喜歡行動和便攜式供電設備，功耗變得與效能同樣重要。隨著摩爾定律邁向物理極限，能源效率成為計算的新領域，特別是對於嵌入物聯網的移動設備。
街區裡的新孩子
2015 年 11 月，Ambiq 提交了其 Apollo SoC 以針對 ULPBench 進行測試。ULPBench 由嵌入式微處理器基準測試聯盟 （EEMBC） 開發，是衡量超低功耗嵌入式微控制器 （MCU） 能源效率的標準化基準測試。
該基準標準化了典型的低功耗設計工作負載，並測量了完成該工作負載所需的實際能量。這種方法規範了 MCU 操作的許多不同行為，例如活動電流、睡眠電流、喚醒時間、核心效率和快取效率。
然後，所有這些數據都會被合成為對開發人員很重要的單一值，即完成其特定應用所需的能源量。
此前的高基準為187.7。Ambiq 的 Apollo SoC 打破了這一紀錄，是之前最好的 377.5 的 兩倍 多。從本質上講，Ambiq 的 SoC 的能源效率是其兩倍，使其成為電池供電穿戴式裝置和其他能源敏感型 IoT 裝置開發人員的理想選擇。
2 倍的節能對嵌入式設計人員和技術消費者都有巨大的影響。設計人員可以重新利用節省的電量來延長電池壽命或添加其他功能，而消費者則可以享受具有更多功能的更持久的設備。
那麼，是什麼讓 Ambiq 的 Apollo SoC 能夠摧毀 ULPBench 呢？亞閾值電壓電路。我們已將亞閾值電路用於我們獲得專利的 亞閾值功率優化技術 （SPOT）® 平台，使用它以低得多的電壓有效地運行普通微處理器。
秘密醬汁
亞閾值電路在低於典型 1.8V 或 3.3V MCU 閾值電壓的電源電壓下工作。與標準 IC 實現相比，Ambiq 的 SPOT 平台在低於 0.5V 的亞閾值電壓下運行電晶體，以實現顯著的節能。
在亞閾值電壓下運行晶體管有一些關鍵好處。其一，在這些較低工作電壓下的狀態切換可降低動態能耗。更重要的是，“關閉”晶體管的漏電流可以重複用於執行大多數計算，本質上是利用先前損失的功率。
Ambiq 的技術通過降低芯片內部發生開關的電壓水平來降低半導體的能耗。這使得能夠開發具有更持久電池電量的穿戴式裝置等產品。
SPOT 的奇蹟
對於消費者來說，Ambiq 的 SPOT 平台意味著他們的智能手錶或健身追踪器可以擁有更長的電池壽命——比以前延長數週或數月。
更重要的是（沒有雙關語），這種能源效率的進步可能會迅速導致摩爾定律的新迭代，即嵌入式微處理器的功耗每隔幾年就會減半。
對於電池供電的穿戴式裝置和其他能源敏感型 IoT 裝置的開發人員來說，這是個好消息。這種電源性能的飛躍為全新的消費性產品打開了新的可能性之門，將電池壽命延長了一倍以上，或在不增加功率預算的情況下實現更多附加功能。
對於構成物聯網的嵌入式智慧感測器來說，能源效率是重中之重。這些感測器所安裝的設備需要在沒有大電池的情況下生存，同時無需充電即可持續數週。
儘管如此，Ambiq 次閾值設計方法的好處意味著嵌入式設計人員希望改進去年的產品。他們可以輕鬆實現新功能，例如心率監測感測器或 始終在線的語音命令系統。
那麼，有沒有 Mo（o）re？
摩爾定律顛覆了計算，並為未來半個世紀的技術進步奠定了基礎。這就是我們如何從幾台房間大小的超級電腦變成數十億部袖珍手機的原因。
現在的問題是，Ambiq 的技術能否為物聯網帶來類似的創新步伐？
我們是這麼認為的。
即使摩爾定律已經達到了物理極限，我們仍然可以遵守法律的精神來跟上我們的創新步伐。摩爾定則可能與晶體管有關，但它仍然與物聯網設備中的超低功耗嵌入式 MCU 相關。
無論如何，整個半導體行業都將迎來更多的摩爾。
