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              摩爾定律走向黃昏,計算領域出路何在?

              2016-06-02翻譯整理 張勇《微型計算機》2016年5月上

              50年來,摩爾定律一直引領信息技術向前發展。不過今年2月,全球半導體行業協會宣布,今后發布的行業研究規劃藍圖中將不再以摩爾定律為核心,而將采用新的“超越摩爾”(More than Moore)藍圖;3月,英特爾也宣布從下一代10nm制程處理器開始,將“Tick-Tock”(制程-架構)模式改為“PAO”(制程-架構-優化)模式。這意味著摩爾定律對行業的影響在不斷減弱,甚至已經被打破。對此,我們不禁想問:摩爾定律走向黃昏后,未來計算領域又將如何發展?

              摩爾定律驅動行業發展

              摩爾定律一直被認為是計算機行業重要的定律之一,它指的是一個預言:每兩年微處理器的晶體管數量都將增加一倍—意味著芯片的處理能力也加倍。該定律早是由英特爾公司的聯合創始人戈登?摩爾于1965年提出的。當時,摩爾在《電子學》雜志上發表了一篇名為《讓集成電路填滿更多的組件》的論文,這篇論文的核心是關于未來計算機行業發展的時間表,摩爾預計每年每顆芯片的晶體管和其他電子元件的數量都將增加一倍。不過,他顯然高估了芯片更新換代的速度。1975年,他在電氣和電子工程師協會的學術年會上提交論文再次預言稱,硅芯片上的晶體管數目將每兩年增加一倍。當摩爾提出這一定律時,集成電路剛剛問世6年,他所在的實驗室也只能將50個晶體管和電阻集成在一個芯片上。不過,隨著惠普個人電腦、Apple II計算機、IBM PC等個人消費產品的誕生,摩爾所預測的未來變成了現實。人們對此類產品的需求很快開始爆發,而制造商則爭相開發出尺寸越來越小、能力越來越強的芯片以滿足這種需求。

              在后來的幾十年里,摩爾定律儼然成為了芯片技術發展的指路明燈。通過縮小芯片上元件的尺寸,芯片行業的發展一直遵循著摩爾定律,芯片制造商們也處心積慮地選擇維持摩爾定律的軌跡(半導體行業每2年就會發布一份研究路線圖,以協調成百上千的制造商和供應商的步調與摩爾定律保持一致。)甚至,英特爾公司還提出了自家的“Tick-Tock”處理器發展模式?!癟ick-Tock”原意是指時鐘走過一秒鐘發出的“滴答”聲響,而作為英特爾的處理器發展模式,英特爾每隔兩年就會對處理器架構進行一次升級,即“Tick年”實現制造工藝進步,而“Tock年”則實現架構的更新。2005年英特爾開始推廣65nm制程,而2006年的新架構則與新制程雙劍合璧—“英特爾酷睿處理器”便是“Tick-Tock”戰略交出的第一張答卷,成就了扭轉芯片市場趨勢的佳硬件。

              如今,從某些方面講,摩爾定律已經遠遠超出了英特爾公司的范疇。它逐漸成了人為預測行業發展趨勢的定律,它對整個科技行業的發展起到了重要的推動作用。如今,人們日常使用的很多設備(比如手機、手表等)都搭載了由晶體管構成的微處理器。得益于摩爾定律,這些設備的成本得以顯著降低,在性能和能效方面卻實現了飛速提升,為人類帶來了極大便利。也正如著名高速存儲器生產開發商蘭巴斯公司的首席科學家Craig Hampel所言:“摩爾定律是整個信息時代的驅動力,沒有摩爾定律就沒有如今廉價的處理器,而硅谷99%的公司也就不會存在?!蹦柖蓭淼挠绊憻o處不在,由它開啟的創新精神繼續改變著技術行業和整個世界:無數的行業被數字化顛覆了,充足的計算能力甚至放緩了核彈測試,因為原子武器的模擬爆炸測試要比真實測試方便得多。

              1971~2011年臺式電腦處理器性能擬合摩爾定律(圖片來自維基百科)

              1971~2011年臺式電腦處理器性能擬合摩爾定律(圖片來自維基百科)

              “Tick-Tock”戰略作為摩爾定律的子集,一直在英特爾的產品規劃中扮演著極其重要的角色。

              “Tick-Tock”戰略作為摩爾定律的子集,一直在英特爾的產品規劃中扮演著極其重要的角色。

              遭遇物理瓶頸,摩爾定律走向黃昏

              盡管摩爾定律在過去的幾十年來對科技行業的發展起到了重要的推動作用,但如今英特爾已經調整了其產品戰略,而全球半導體行業協會在今后發布的行業研究規劃藍圖也不再以摩爾定律為核心,摩爾定律似乎正逐步走向黃昏。

              從半導體行業來說,這種情況的出現是不可避免的。首先,摩爾定律要求硅芯片上的晶體管數目每兩年增加一倍,物理角度上,以硅為原材料的芯片制造工藝目前已經達到瓶頸階段,要達到摩爾定律的要求越來越困難。目前市面上先進的芯片是由英特爾的14納米工藝所制作而成的,在14納米的大小之下,芯片中的線寬精度甚至比普通的病毒粒子還要小。盡管下一次的技術進步將把我們帶到10納米甚至7納米時代,但隨著芯片制作工藝的提高,以現有的材料和技術水平很難在更小的尺寸上布局元件,而且在更小的尺度下,一些器件不能簡單地以半導體元件的物理知識進行分析。也就是說,即使我們有能力把芯片做到這么小,但它們不一定能正常工作。這樣一來整個芯片的設計就會變得更為復雜,項目驗證時間也會拉長。

              其次,處理器的發熱問題一直是芯片廠商亟待解決的問題之一。芯片行業發展之初,制造工藝的不斷進步為芯片提供了更多的晶體管布局和更強的性能。但當處理器的制造工藝達到一定程度時,硅電路里的電子移動速度越來越快,于是處理器運行時產生了越來越多難以消除的熱量。雖然包括英特爾在內的諸多芯片制造商都在不斷努力解決處理器散熱的問題,比如不再追求絕對的頻率,給芯片的電子運行速度加上上限,或者重新設計芯片內部電路,使每個芯片擁有兩個、四個甚至更多內核。但這樣的處理方式使得很多應用程序無法完全利用到處理器全部的核心,這就造成了性能的不對等。

              行業和廠商策略偏離摩爾定律的另一個重要原因是計算設備走向移動化為芯片制造商帶來了新的挑戰。以前,計算機的概念只包括臺式電腦和筆記本電腦,而超級電腦和數據中心的處理器也只是功能更多了些。但是現在,計算機的概念早已進行了延伸,手機、平板電腦、智能手表和其他可穿戴設備等都是新的計算設備,而這些新式計算設備對處理器的需求與其前輩電腦差別非常大。以手機為例,語音通話、Wi-Fi連接、藍牙、GPS甚至指紋識別都要耗電,但普通手機的電池容量都比較小,那么電池的續航能力自然尤為重要,這就要求手機內置的芯片通過特殊的電路來管理電源和能耗。對芯片制造商而言,原來制造PC上的芯片只需要參照摩爾定律提升性能就行,到了現在,由于智能手機、智能手表等設備對于性能的要求不再是第一位的,那么芯片制造商就需要多維度地設計、制造芯片,把能耗控制放在更重要的位置,而不是遵循摩爾定律單純地追求性能的提升。

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