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摩尔定律催生新的测试产品种类

Larry Desjardin?? 2015年09月01日 ?? 收藏0
今年是戈登·摩尔的著名论文《往集成电路中塞进更多元件》发表50周年。这篇论文是摩尔定律的基础。重读这篇论文,我被摩尔对未来的洞察力和见解深深打动。仅从1962年至1965年的4个数据点,摩尔就推断出集成电路密度每年接近翻一倍。“集成电路将产生很多奇迹,比如家用电脑——或至少连接中央计算机的终端——汽车自动控制和个人通信设备。”摩尔在论文中写道。考虑到这篇论文写于1965年,甚至是在第一块数字手表发明之前,这是富有远见的一个极佳例子。Carver Mead博士——我的加州理工学院导师将这个密度连续翻倍的规律称为摩尔定律,之后这个名称就一直延用至今。

图1:戈登·摩尔仅根据4个数据点就作出的著名密度预测。注意,这张图预测的是差不多一年翻一倍,而不是今天我们经常引用的18个月。
图1:戈登·摩尔仅根据4个数据点就作出的著名密度预测。注意,这张图预测的是差不多一年翻一倍,而不是今天我们经常引用的18个月。

在我重读摩尔论文时有两件事打动到了我。一个是他对功率密度的专注,他相信随着器件几何尺寸的缩小,功率密度将是可管理的。记住,当时还是双极型逻辑器件而不是CMOS的时代。正是CMOS革命使他将论文中对1975年之前的预测继续外推。由于具有接近于零的静态功耗,CMOS不仅允许更高的密度而不至于产生太高的功率密度,而且也成为电池供电产品成功的关键(当然,也正因为有了CMOS,我们才有了到处给我们的小电器充电的烦恼)。

第二个成果主要是他有关模拟电路的最终评论。他预测模拟电路的变化速度会比较慢,但还是有重大飞跃。他的差分放大器设计将受益于集成电路内固有的匹配元件这个观点形成了运放(运算放大器)的概念,这是模拟设计的一个里程碑事件。“即使在微波领域,”摩尔写道,“集成电子产品中包含的结构也将变得越来越重要。”考虑到当时的“微波”是1GHz及以上频率信号,现代蜂窝电话是一个包含多个微波射频器件的极好的设备例子。

那么对测试设备和相关行业来说摩尔定律意味着什么呢?意义有很多。首先,是产品种类的爆发式增长——一个可能不断持续的趋势。让我们来看一看……

将时光机器退回到1975年,即摩尔论文得到大家重视的那一年。我第一次正儿八经操作测试设备的体验就是那年夏天,也就是在我大学二年级暑期,我有幸得到了Varian Associates公司技术人员一职。我主要负责校准和维修该公司在Palo Alto生产线上部署的所有测试设备。

设备库存大部分是模拟的,虽然延伸到了微波频率:万用表、示波器、信号发生器和分析仪等。所有设备都用可调元件——可变电容和电位器进行了校准。

在那个时代,由摩尔定律加速的数字革命就已经在改变测试与测量领域中的产品种类,以满足新的待测设备(DUT)要求。有些种类很短命:增益/相位表或微处理器仿真器。而像逻辑分析仪等其它设备面市后直到现在还在用,只不过功能有了改进。

图2:由摩尔定律驱动的大量新的测试产品类型和种类。5G无线和物联网有望催生更多的产品类型。
图2:由摩尔定律驱动的大量新的测试产品类型和种类。5G无线和物联网有望催生更多的产品类型。

电子行业得到了蓬勃发展,随即量上来了,因此需要自动测试功能,特别是在制造阶段。也许测试设备中的最大变化是增加了自动化接口,最著名的就是IEEE-488,即众所周知的GP-IB。1977年夏天,我在惠普接了一份临时工作(这项工作后来居然持续了34年),并搭建了一个连接各种设备的数据采集系统。当时最奇特但也是最有用的一种新产品种类是所谓的多路编程器,它是今天模块化仪表的原型。

摩尔定律促进了处理器和存储器的革命,随即繁荣了半导体测试行业,像Teradyne和Advantest等大公司就是在这个新产品领域中突颖而出的。大型测试仪的引脚电子功能证明对高速数字半导体器件的测试来说非常重要。一个全新的行业诞生了。

20世纪80年代反映的是数字革命,20世纪90年代反映的是通信革命。信号发生器和分析仪的结合产生了专门的通信测试仪,比如HP 8960A。这些无线“单体测试仪”作为一个独立的分类今天还有在用,虽然通常集中于研发或制造领域。

随着线速的提高,新的测试仪种类出现了,那就是误码率测试仪(BERT)。许多误码仪都有光口,用于测试与光纤通信有关的待测设备。光纤还导致特殊的光学测试产品种类,如光功率计、可调谐激光器和光谱分析仪等。SONET/SDH测试仪可以测试这些网络上的特殊协议。随着摩尔定律促使芯片速度的进一步提升,对铜线提出了艰巨挑战,这些测量技术被用于测试芯片、电路板、连接器和其它芯片之间的串行链接。时间间隔分析仪成为了一种新的产品种类,但差一点消失,现在大部分被集成到了误码仪和示波器功能之中。

到20世纪90年代晚期,受到摩尔定律、放宽管制、光学放大器等极大推动的互联网催生了更多的测试产品种类。诸如Spirent或IXIA等公司的负载测试仪可以用来在实验室测试交换机和路由器的带负载能力,从而在这些设备实际运用到企业或互联网之前,评估它们在极端负载或特殊协议之下的行为。事实上,许多通信测试可以评估特定设备在特定业务或协议之下的行为,而不只是测试它们的参数性能。有强力的证据表明,待测设备中越来越多的软件成分(要么通过明确的软件,要么通过FPGA和ASIC)导致了20世纪00年代测试与测量的显著增长,这得益于评估这种隐式待测试设备“软件”的研发应用的驱动。第4至第7层测试就是一个很好的例子,经常用于测试防火 墙和其它安全单元。

一些新的种类正在不断涌现,有的还没有名字。LTE-A和802.11ac都支持多辐天线通过相位对齐的波束成形技术。通常PXI机箱内有多个源和接收器组成的测试设备就是针对这种独特但不断增长的要求开发的。这与摩尔最新的预测相当一致。摩尔论文的结论中有这样的语句:“诸如相位阵列天线等使用大量一体化微波功率源的单元的成功实现可以彻底改革雷达。”只不过不仅仅是雷达,今天它还包括个人通信设备!

今天就到此为止。在今后的专栏中,我还会与大家探讨摩尔定律如何改变测试设备的内部器件以及测试仪和待测设备之间的比赛,两者都受到摩尔定律的驱动。现在我要总结如下:产品种类的增加和减少受电子行业动态变化的影响。虽然通常很难预测今后的新种类,但这个趋势不会改变。摩尔定律依然有效。5G无线和物联网(IoT)足以催生新的测试种类。虽然确切地预测这方面将如何展开非常困难,但能够预见这些变化并定义新种类的供应商将获得丰厚的回报。待续。

本文来自《电子技术设计》2015年9月刊,版权所有,谢绝转载。


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摩尔定律? 测试测量?

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