登纳德缩放定律 (Dennard Scaling)

定义

登纳德缩放定律(Dennard Scaling)由IBM研究员Robert Dennard等人于1974年提出:MOSFET晶体管按比例缩小时,若电压与电流同步等比降低,则单位面积的功率密度基本保持不变。

意义

在该定律成立的年代,制程每前进一代,晶体管更小、更快、更省电,芯片可以在同样功耗预算下同时提高频率和集成度——这正是20世纪80至90年代CPU主频飞速攀升的物理基础,与摩尔定律共同构成半导体产业的黄金增长引擎。

失效与后果

2005年前后,随着工艺进入深亚微米,阈值电压逼近极限、漏电流急剧上升,电压无法继续等比下降,登纳德缩放宣告终结。晶体管数量仍在增加,但功率密度随之上升,形成"功耗墙":频率停滞在几GHz量级,芯片无法让所有晶体管同时全速工作(暗硅问题)。产业因此转向多核并行、大小核异构、领域专用加速器(GPU、NPU)等路线。

评价

理解登纳德缩放的终结,是理解21世纪计算机体系结构变革的关键。