一文讀懂“功能密度定律”
功能密度定律?(Function Density Law)是本文作者于2020年1月20日首次提出,其內(nèi)容為:對(duì)于所有的電子系統(tǒng)來說,沿著時(shí)間軸,系統(tǒng)空間內(nèi)的功能密度總是在持續(xù)不斷地增大,并且會(huì)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.下圖所示為功能密度曲線,從曲線中我們可以看出,在電子集成技術(shù)發(fā)展的初期(1958~2020年) ,電子系統(tǒng)的功能密度隨時(shí)間的變化是按照摩爾定律增長(zhǎng)的,其曲線呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。隨著摩爾定律的逐漸失效,其曲線逐漸平緩,但功能密度依然保持增長(zhǎng)。

02?摩爾定律?
摩爾定律最常見的描述為:當(dāng)價(jià)格不變時(shí),集成電路上可容納的元器件的數(shù)目,約每隔18-24個(gè)月便會(huì)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(gè)月將提升為原來的4倍。總得來說,摩爾定律有以下3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(gè)月就翻一番;2)微處理器的性能每隔18-24個(gè)月提高一倍,而價(jià)格下降一倍;3)用一個(gè)美元所能買到的電腦性能,每隔18-24個(gè)月翻兩番。以上3種說法中,以第1種說法最為普遍,第2、3兩種說法涉及到價(jià)格因素,其實(shí)質(zhì)也是一樣的。3種說法雖然各有千秋,但在一點(diǎn)上是共同的,即“翻番”的周期都是18-24個(gè)月,至于翻一番(或翻兩番)的是“集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目”,是整個(gè)“計(jì)算機(jī)的性能”,還是“一個(gè)美元所能買到的性能”就見仁見智了。摩爾定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度,盡管這種趨勢(shì)已經(jīng)持續(xù)了超過半個(gè)世紀(jì),摩爾定律仍一直被認(rèn)為是一種觀測(cè)或推測(cè),而不是一個(gè)物理或自然法則。摩爾定律到底準(zhǔn)不準(zhǔn)呢?讓我們從下圖中可以看出,現(xiàn)實(shí)中的采樣點(diǎn)基本均位于摩爾定律曲線的附近,可以看出摩爾定律基本上還是很準(zhǔn)確的。


03?從原子結(jié)構(gòu)到宇宙空間?
現(xiàn)代技術(shù)基本向兩個(gè)方向的發(fā)展:微觀和宏觀。
微觀方向逐漸走向原子結(jié)構(gòu),集成電路的發(fā)展就是典型的例子;宏觀方向則面向著廣闊無垠的宇宙空間。現(xiàn)代半導(dǎo)體中,硅元素還是占據(jù)著主流的位置,我們來了解一下硅原子的物理結(jié)構(gòu)。晶胞是反映晶體性質(zhì)的最小單元,下圖所示為硅的晶胞結(jié)構(gòu)。在由硅原子構(gòu)成的一個(gè)面心立方體的晶胞內(nèi),8個(gè)頂點(diǎn)和6個(gè)面各有一個(gè)硅原子,另外還有4個(gè)硅原子,分別位于四個(gè)空間對(duì)角線的 1/4處,平均到每一個(gè)硅晶胞中的原子數(shù)為8 (8 × 1/8 6 × 1/2 4 = 8)。




04?廣義功能密度定律?
功能密度定律描述里面有兩個(gè)關(guān)鍵詞:“系統(tǒng)空間”,“功能密度”,首先,如何定義系統(tǒng)空間和功能密度呢?系統(tǒng)空間定義:一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)其體積所占的空間稱為其系統(tǒng)空間。功能密度定義:?jiǎn)挝惑w積內(nèi)包含的功能單位的數(shù)量稱為功能密度。功能單位包含,功能細(xì)胞Function Cell,功能塊Function Block,功能單元Function Unit。進(jìn)行功能密度橫向或者縱向比較時(shí),應(yīng)該采用同樣的功能單位。SiP的系統(tǒng)空間為其封裝體的體積,手機(jī)的系統(tǒng)空間為手機(jī)的體積,筆記本電腦的系統(tǒng)空間為其工作狀態(tài)時(shí)所占用的空間,移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)空間為其所覆蓋的區(qū)域空間,等等。我們可以充分發(fā)揮想象力,放大系統(tǒng)空間到更大的范圍,例如一棟大樓、一個(gè)城市、一個(gè)國家,甚至整個(gè)地球,都可以用功能密度定律來評(píng)判技術(shù)的發(fā)展程度。1947年人類發(fā)明了第一個(gè)晶體管,1958年人類發(fā)明了第一塊集成電路,此后,電子技術(shù)產(chǎn)生了巨大的革命,并且廣泛應(yīng)用到電子、通信、航空、航天、兵器、船舶、車輛、建筑、服務(wù)業(yè)等等各行各業(yè)。總得來說,地球上的晶體管數(shù)量一直在持續(xù)增加。假想以某一個(gè)球體將整個(gè)地球包裹,并以該球體做為系統(tǒng)空間,其空間內(nèi)的功能密度總是在持續(xù)不斷增加,并且會(huì)在人類可以預(yù)見的未來,一直持續(xù)下去。


目前,因?yàn)槿祟愐呀?jīng)登上月球,人類宇宙空間是為以地球?yàn)橹行?,以地球到月球的平均距離為半徑的球體體積。隨著人類探索宇宙的深入,人類宇宙空間這個(gè)球體也會(huì)越來越大,由于人類登陸新的星球只能是一步一步進(jìn)行,每一步都會(huì)間隔較長(zhǎng)的時(shí)間,因此,在某個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間區(qū)域內(nèi),人類宇宙空間是相對(duì)固定的,這就便于我們定義其空間內(nèi)的功能密度。當(dāng)人類又登陸了新的星球,人類宇宙空間的范圍就需要重新定義了。在功能密度定律及人類宇宙空間的基礎(chǔ)上,我們定義廣義功能密度定律。廣義功能密度定律 (General Function Density Law) :在人類宇宙空間所包含的球體內(nèi),沿著時(shí)間軸,其功能密度會(huì)持續(xù)增加,這就是廣義功能密度定律。在人類宇宙空間,隨著人類文明的進(jìn)步,其功能密度也會(huì)不斷增加,即單位空間內(nèi)的功能單位數(shù)量也會(huì)持續(xù)增加。隨人類探索宇宙腳步的邁進(jìn),人類宇宙空間會(huì)變得越來越大,每一個(gè)人類宇宙空間內(nèi)的功能密度也會(huì)持續(xù)增大,這就是廣義功能密度定律的意義。從地球到月球再到火星,從太陽系到銀河系再到更廣闊的宇宙空間,人類探索的腳步永不停止,廣義功能密度定律也會(huì)隨著人類的探索宇宙腳步的邁進(jìn)而適用到更大的空間。
- 作 者 新 書
新書《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》內(nèi)容涵蓋“概念和技術(shù)”、“設(shè)計(jì)和仿真”、“項(xiàng)目和案例”三大部分,包含30章內(nèi)容,總共約110萬 字,1000 張插圖,約650頁。

關(guān)注SiP、先進(jìn)封裝、微系統(tǒng),以及產(chǎn)品小型化、低功耗、高性能等技術(shù)的讀者推薦本書。目前,京東、淘寶、當(dāng)當(dāng)等網(wǎng)站均可購買。鏈接:《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》新書首發(fā)鏈接:SiP大會(huì)上的特別禮物(視頻)
功能密度定律提出迄今為止已有581天(2020.1.20~2021.8.23)—— Suny Li