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摩尔定律走向黄昏,计算领域出路何在?

2016-06-02翻译整理 张勇《微型计算机》2016年5月上

50年来,摩尔定律一直引领信息技术向前发展。不过今年2月,全球半导体行业协会宣布,今后发布的行业研究规划蓝图中将不再以摩尔定律为核心,而将采用新的“超越摩尔”(More than Moore)蓝图;3月,英特尔也宣布从下一代10nm制程处理器开始,将“Tick-Tock”(制程-架构)模式改为“PAO”(制程-架构-优化)模式。这意味着摩尔定律对行业的影响在不断减弱,甚至已经被打破。对此,我们不禁想问:摩尔定律走向黄昏后,未来计算领域又将如何发展?

摩尔定律驱动行业发展

摩尔定律一直被认为是计算机行业最重要的定律之一,它指的是一个预言:每两年微处理器的晶体管数量都将增加一倍—意味着芯片的处理能力也加倍。该定律最早是由英特尔公司的联合创始人戈登?摩尔于1965年提出的。当时,摩尔在《电子学》杂志上发表了一篇名为《让集成电路填满更多的组件》的论文,这篇论文的核心是关于未来计算机行业发展的时间表,摩尔预计每年每颗芯片的晶体管和其他电子元件的数量都将增加一倍。不过,他显然高估了芯片更新换代的速度。1975年,他在电气和电子工程师协会的学术年会上提交论文再次预言称,硅芯片上的晶体管数目将每两年增加一倍。当摩尔提出这一定律时,集成电路刚刚问世6年,他所在的实验室也只能将50个晶体管和电阻集成在一个芯片上。不过,随着惠普个人电脑、Apple II计算机、IBM PC等个人消费产品的诞生,摩尔所预测的未来变成了现实。人们对此类产品的需求很快开始爆发,而制造商则争相开发出尺寸越来越小、能力越来越强的芯片以满足这种需求。

在后来的几十年里,摩尔定律俨然成为了芯片技术发展的指路明灯。通过缩小芯片上元件的尺寸,芯片行业的发展一直遵循着摩尔定律,芯片制造商们也处心积虑地选择维持摩尔定律的轨迹(半导体行业每2年就会发布一份研究路线图,以协调成百上千的制造商和供应商的步调与摩尔定律保持一致。)甚至,英特尔公司还提出了自家的“Tick-Tock”处理器发展模式。“Tick-Tock”原意是指时钟走过一秒钟发出的“滴答”声响,而作为英特尔的处理器发展模式,英特尔每隔两年就会对处理器架构进行一次升级,即“Tick年”实现制造工艺进步,而“Tock年”则实现架构的更新。2005年英特尔开始推广65nm制程,而2006年的新架构则与新制程双剑合璧—“英特尔酷睿处理器”便是“Tick-Tock”战略交出的第一张答卷,成就了扭转芯片市场趋势的最佳硬件。

如今,从某些方面讲,摩尔定律已经远远超出了英特尔公司的范畴。它逐渐成了人为预测行业发展趋势的定律,它对整个科技行业的发展起到了重要的推动作用。如今,人们日常使用的很多设备(比如手机、手表等)都搭载了由晶体管构成的微处理器。得益于摩尔定律,这些设备的成本得以显著降低,在性能和能效方面却实现了飞速提升,为人类带来了极大便利。也正如著名高速存储器生产开发商兰巴斯公司的首席科学家Craig Hampel所言:“摩尔定律是整个信息时代的驱动力,没有摩尔定律就没有如今廉价的处理器,而硅谷99%的公司也就不会存在。”摩尔定律带来的影响无处不在,由它开启的创新精神继续改变着技术行业和整个世界:无数的行业被数字化颠覆了,充足的计算能力甚至放缓了核弹测试,因为原子武器的模拟爆炸测试要比真实测试方便得多。

1971~2011年台式电脑处理器性能拟合摩尔定律(图片来自维基百科)

1971~2011年台式电脑处理器性能拟合摩尔定律(图片来自维基百科)

“Tick-Tock”战略作为摩尔定律的子集,一直在英特尔的产品规划中扮演着极其重要的角色。

“Tick-Tock”战略作为摩尔定律的子集,一直在英特尔的产品规划中扮演着极其重要的角色。

遭遇物理瓶颈,摩尔定律走向黄昏

尽管摩尔定律在过去的几十年来对科技行业的发展起到了重要的推动作用,但如今英特尔已经调整了其产品战略,而全球半导体行业协会在今后发布的行业研究规划蓝图也不再以摩尔定律为核心,摩尔定律似乎正逐步走向黄昏。

从半导体行业来说,这种情况的出现是不可避免的。首先,摩尔定律要求硅芯片上的晶体管数目每两年增加一倍,物理角度上,以硅为原材料的芯片制造工艺目前已经达到瓶颈阶段,要达到摩尔定律的要求越来越困难。目前市面上最先进的芯片是由英特尔的14纳米工艺所制作而成的,在14纳米的大小之下,芯片中的线宽精度甚至比普通的病毒粒子还要小。尽管下一次的技术进步将把我们带到10纳米甚至7纳米时代,但随着芯片制作工艺的提高,以现有的材料和技术水平很难在更小的尺寸上布局元件,而且在更小的尺度下,一些器件不能简单地以半导体元件的物理知识进行分析。也就是说,即使我们有能力把芯片做到这么小,但它们不一定能正常工作。这样一来整个芯片的设计就会变得更为复杂,项目验证时间也会拉长。

其次,处理器的发热问题一直是芯片厂商亟待解决的问题之一。芯片行业发展之初,制造工艺的不断进步为芯片提供了更多的晶体管布局和更强的性能。但当处理器的制造工艺达到一定程度时,硅电路里的电子移动速度越来越快,于是处理器运行时产生了越来越多难以消除的热量。虽然包括英特尔在内的诸多芯片制造商都在不断努力解决处理器散热的问题,比如不再追求绝对的频率,给芯片的电子运行速度加上上限,或者重新设计芯片内部电路,使每个芯片拥有两个、四个甚至更多内核。但这样的处理方式使得很多应用程序无法完全利用到处理器全部的核心,这就造成了性能的不对等。

行业和厂商策略偏离摩尔定律的另一个重要原因是计算设备走向移动化为芯片制造商带来了新的挑战。以前,计算机的概念只包括台式电脑和笔记本电脑,而超级电脑和数据中心的处理器也只是功能更多了些。但是现在,计算机的概念早已进行了延伸,手机、平板电脑、智能手表和其他可穿戴设备等都是新的计算设备,而这些新式计算设备对处理器的需求与其前辈电脑差别非常大。以手机为例,语音通话、Wi-Fi连接、蓝牙、GPS甚至指纹识别都要耗电,但普通手机的电池容量都比较小,那么电池的续航能力自然尤为重要,这就要求手机内置的芯片通过特殊的电路来管理电源和能耗。对芯片制造商而言,原来制造PC上的芯片只需要参照摩尔定律提升性能就行,到了现在,由于智能手机、智能手表等设备对于性能的要求不再是第一位的,那么芯片制造商就需要多维度地设计、制造芯片,把能耗控制放在更重要的位置,而不是遵循摩尔定律单纯地追求性能的提升。

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