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从KMGTP和mµnpf看技术的发展及局限性

2023/12/28
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这篇文章提出了一个“技术自由空间”的概念,并应用了一种MmT坐标系。

当人类实现了空间或时间上的某个宏观或者微观尺度,即称为该尺度下的技术自由。

“技术自由空间”,用来度量人类探索世界的自由度,随着这个空间范围的扩大,人类探索世界的自由度也就越大。

技术自由空间=微观技术自由空间+宏观技术自由空间

K M G T P

千 兆 吉 太 拍

1999年,我在写研究生论文,导师给了我一台486电脑,500M硬盘,4M内存,操作系统安装的是Windows 95,占用了100多M硬盘空间,剩下的不到400M供其它软件安装和文件存储。而仅仅4M的内存空间则提供了所有软件运行的空间。

今天,主流的笔记本电脑硬盘1T(增大了2000倍)内存16G(增大了4000倍),操作系统安装Windows 10,初始需要占用3~4G以上的空间,随着使用时间的增长,最终需要占用40G以上的空间。

计算机术语上来说,1K是指的1024个单位,为什么用1024呢,因为在2进制中210即1024,称为1K,220 为1M,230 为1G,240 为1T,250 为1P。

Kilo Byte(千字节)=1024 B

Mega Byte(兆字节)=1024 KB

Giga Byte(吉字节)=1024 MB

Tera Byte(太字节)=1024 GB

Peta Byte(拍字节)=1024 TB

当KMGTP作为商业单位时(如市面上卖的硬盘标的容量)换算关系则采用了十进制,103-1K(千),106-1M(百万),109-1G(十亿),1012-1T(万亿),1015-1P(千万亿);1 M=1000 K,1 G =1000 M,1 T=1000 G,1 P=1000 T。

2000年之前,G都很少听到,T更无人提及,大家更多用到的是M,在中关村,花1800块钱买了128M内存的朋友也大有人在。现在,同样的价钱买到的内存是当时的容量上千倍,更不用说性能的巨大提升了,这是摩尔定律带给我们的好处。

今天,大的硬盘用T作为计量单位,如今最大的硬盘有上百个T,假以时日,硬盘空间超过1000T,P也会派上用场。

千兆吉太拍,是往大了说。

m µ n p f

毫 微 纳 皮 飞

毫微纳皮飞,是往小了说。mµnpf,和KMGTP不同,一般都是从十进制上进行定义,很少有人用二进制进行描述。

    • m(毫):代表 千分之一,10-3µ(微):代表 百万分之一,10-6n(纳):代表 十亿分之一,10-9p(皮):代表 万亿分之一,10-12f(飞):代表 千万亿分之一,10-15

mµnpf 在空间尺度描述上,用的最多的就是在半导体制造领域。

1958年,Jack Kilby基尔比制造出地球上第一块集成电路,包含电阻电容二极管三极管组成的Phase-Shift Oscillator ,成品的尺寸为:0.12x0.4英寸(3.05x10.2mm),这时候,晶体管的尺度还需要用毫米mm来度量。

1971年,Intel 4004 内含2300个晶体管,使用 10 μm 制程;

1989年,Intel 486 内含120万个晶体管,使用 1 μm 制程;

2000年,Intel Pentium 4 内含4200万个晶体管,使用 0.18μm 制程;

2019年,Intel i9-9980内含约100亿个晶体管,使用 14 nm 制程;

目前,7nm已经是成熟工艺,5~3nm也已经量产,成功应用到产品中......

还能更小吗?应该还是可以的,目前芯片制造的头部大厂都在努力推进1nm技术,当然这只是概念上的推进,即从晶体管密度上进行等效描述。从目前的工艺技术上来讲,晶体管的最小结构还无法做到1nm,因为1nm的宽度上最多只能容纳3个硅原子。

mµnpf在时间尺度描述上,则和KMGTP相对应,互为倒数,频率为1K的时钟,其周期为1m秒;频率为1M的时钟,其周期为1µ秒;频率为1G的时钟,其周期为1n秒;频率为1T的时钟,其周期为1p秒,频率为1P的时钟,其周期为1f秒。飞秒有多短,一飞秒之于一秒,如同一秒之于 3171 万年。飞秒虽然极短,依然可以细分,其千分之一为阿秒,一阿秒之于一秒,如同一秒之于 317.1 亿年,约为宇宙年龄的两倍多。2023年诺贝尔物理学奖,就和阿秒有关,该诺奖研究成果“展示了一种产生阿秒光脉冲的方法,可用于测量电子移动或改变能量的快速过程。”该诺奖的重要意义还在于其拓展了人类的“技术自由空间”

和日常的关联

千兆吉太拍KMGTP,毫微纳皮飞mµnpf,这些抽象的单位和我们日常生活关联起来又会有什么特别的意义呢?

例如,G(吉)代表10亿,到底是多大的概念呢?

如果一个人的一生可以用秒来计算,假如他能活到80-100岁,就是2.5G秒-3.2G秒的时间。

3G秒的时间大约是95年,也就是说,我们大多数人是活不过3G秒的。

T( 太)代表 万亿

1G秒大约是32年的时间,1T秒大约是32000年,人类进入“认知革命”也就是2T秒之前,也就是说2T秒之前,人类才和动物真正区分开来,跃升为食物链顶端的物种。

现在,GDP也可以用到T了,2022年已经有17个国家GDP过T,其中美国是25T,中国18T,分别占世界GDP总量的25%和18%。

光速(电磁波)是目前已知最快的速度,真空中30万公里/秒,3*108米/秒,如果用纳秒度量:0.3米/纳秒,用皮秒度量:0.3毫米/皮秒,用飞秒度量:0.3微米/飞秒。

在有机基板上,传播速度则要减半:150毫米/纳秒,150微米/皮秒,150纳米/飞秒。

在陶瓷基板或者硅基上,传播速度则要减为三分之一:100毫米/纳秒,100微米/皮秒,100纳米/飞秒。

在微小的时间尺度里,光也变得很“慢"了,1飞秒的时间,信号甚至不能飞越一个晶体管的尺度。(7纳米工艺的单个晶体管宽度大约为100纳米),在这么微小的时间尺度内,信息是无法传播的。

技术自由空间

MmT坐标系

这里,我们定义一个坐标系,称之为MmT坐标系。M-Macro代表宏观尺度,m-micro代表微观尺度,T代表实现的时间。

坐标系的横轴代表空间或时间的尺度,左侧代表微观尺度,越往左侧尺度越小:10-1,10-2,10-3... 10-12... 10-15...,右侧代表宏观尺度:101,102,103... 1012... 1015...,原点为100;坐标系的纵轴T代表人类实现该尺度的时间或年份,T往上为宏观尺度实现的时间,T往下为微观尺度实现的时间。我们可以从原点到横轴右侧的某一个点为直径画一个圆,圆内的空间,称之为宏观技术自由空间;我们也可以从原点到横轴左侧的某一个点为直径画一个圆,圆内的空间,称之为微观技术自由空间。纵轴上方为记录宏观自由空间实现的时间点,例如1980年,从宏观圆的顶端做平行于横轴的切线,与纵轴相交点,记录该时间点。纵轴下方为记录微观自由空间实现的时间点,例如1990年,从微观圆的底端做平行于横轴的切线,与纵轴相交点,记录该时间点。

技术自由空间

什么是技术自由?"实现"即为"技术自由"

当人类实现了空间或时间上的某个宏观或者微观尺度,即称为该尺度下的技术自由。

这里,我提出“技术自由空间”的概念,用来度量人类探索世界的自由度,随着这个空间范围的扩大,人类探索世界的自由度也就越大。

技术自由空间=微观技术自由空间+宏观技术自由空间

按照KMGTP和mµnpf,我们就可以绘制出如下的技术自由空间:

随着技术自由空间的不断增大,两侧的圆都会逐渐切近纵轴,纵轴两侧的剩余的空间我们称之为“X空间”,X空间代表着人类技术尚未实现或达到的空间或时间尺度。

随着时间的推移,技术的不断发展,两边的圆的直径越来越大,在临近原点处,圆弧接近直线,人类的技术自由空间也会越来越大,充满了整个空间,X空间似乎被无限压缩了。

确实,从近距离看,随着技术自由空间的不断增大,X空间似乎被压缩的很小很小了。然而,当我们的视点放到更远处,我们就会发现,无论如何增长,技术自由空间始终是有限空间,而X空间始终是无限空间。

人类的认知,如同技术自由空间一样,无论怎么增长,增长的有多快,始终是有限的。而未知,始终是无限的......

作 者 著 作

《基于SiP技术的微系统》内容涵盖“概念和技术”、“设计和仿真”、“项目和案例”三大部分,包含30章内容,总共约110万+字,1000+张插图,约650页。

关注SiP、先进封装、微系统,以及产品小型化、低功耗、高性能等技术的读者推荐本书。

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电子产业图谱

SiP技术专家,参与指导各类SiP与先进封装项目40多项;已出版技术著作3部:《基于SiP技术的微系统》PHEI 2021,《SiP System-in-Package Design and Simulation》(英文版)WILEY 2017,《SiP系统级封装设计与仿真》PHEI 2012;曾在中国科学院、SIEMENS工作,参与中国载人航天“神舟”飞船及中欧合作“双星”项目,现在奥肯思科技工作。公众号:SiP与先进封装技术。