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編者按：芯片業(yè)喊“狼來了”已經(jīng)有將近20年了，但摩爾定律似乎每一次都能化險為夷，維持存在。但是這次不一樣了，隨著產(chǎn)業(yè)在技術(shù)、經(jīng)濟層面摸到的天花板越來越多，自1960年代以來為信息革命提供動力的字面意義上的摩爾定律可能下個月就要正式終結(jié)了。不過，從摩爾定律所反映的價值來看，摩爾定律并沒有死，只是換了一個化身而已。來自自然雜志的這篇文章回顧了摩爾定律的光輝歷史，并總結(jié)了讓摩爾定律重生的未來路線。對于正在致力打造半導體超級大國的中國來說，這篇文章值得好好思考一下我們的努力方向。
下個月，全球半導體業(yè)將正式承認一個對于牽涉其中所有人來說已經(jīng)變得越來越明顯的事實：自1960年代以來為信息革命提供動力的摩爾定律已接近終結(jié)。 作為統(tǒng)治計算的一個概測法則，摩爾定律指出，微處理器芯片上的晶體管數(shù)量大概每兩年左右就會翻番—通常這意味著芯片的性能也會有相應提升。該定律描述的指數(shù)式改進將1970年代第一代做工粗糙的家庭計算機變成了1980年代和1990年代的精致機器，高速互聯(lián)網(wǎng)、智能手機以及聯(lián)網(wǎng)汽車、冰箱和恒溫器也因此崛起并變成今日的無所不在。 不過所有這些都不是必然的：那是因為芯片制造商處心積慮地選擇了維持摩爾定律的軌跡。每一階段軟件開發(fā)者都會推出榨干現(xiàn)有芯片能力的應用，讓消費者呼喚更多的設備，然后制造商爭先恐后地用下一代芯片來滿足這種需求。實際上自1990年代以來，半導體行業(yè)每2年就會發(fā)布一份研究路線圖來協(xié)調(diào)成百上千的制造商和供應商的步調(diào)與摩爾定律保持一致—這種策略有時候被戲稱為More Moore（更多的摩爾）。計算機的發(fā)展遵循該定律的指數(shù)式增長很大程度上要得益于這份路線圖。 但這種情況持續(xù)不了多久了。由于越來越多的硅電路擠到同樣大小的一小塊區(qū)域，不可避免的發(fā)熱問題使得摩爾定律的翻番速度已成強弩之末。而且在10年之內(nèi)摩爾定律還將觸碰到更多的天花板，那些局限性甚至是更根本性的。目前頂級的微處理器的硅電路器件特征尺寸大概是14納米，這已經(jīng)比大多數(shù)病毒還要小了。不過到了2020年代初時，制定摩爾定律路線圖組織的主席Paolo Gargini說，“哪怕是采取極具攻擊性的做法，我們也將達到2-3納米的限制，那時候特征尺寸僅有10個原子大小了。這還算是設備嗎？”也許不能算了—因為小到這種規(guī)模的情況下，電子行為戶受到量子不確定性的控制，這會導致晶體管的不可靠，甚至不可靠到了令人絕望的地步。盡管進行鍥而不舍的研究，但今日的硅晶技術(shù)尚無明顯的成功者。 下月發(fā)布的路線圖推出的將是第一份不以摩爾定律為中心的研發(fā)計劃。相反，它遵循的將是所謂的More than Moore（超越摩爾）戰(zhàn)略：它的目標不是造出更好的芯片然后讓應用跟進，而是反過來，從應用開始—從智能手機和超級計算機以及云端數(shù)據(jù)中心開始一路向下，看看需要什么樣的芯片來支持。這些芯片當中會有新一代的傳感器、電能管理電路，以及其他一些計算日益移動化的世界所需的硅設備。 版圖的變動反過來也會瓦解該行業(yè)一直追求摩爾定律的長期傳統(tǒng)?！懊總€人都在質(zhì)疑這份路線圖的實際意義，”愛荷華大學的計算機科學家Daniel Reed如是說。代表美國主要相關(guān)機構(gòu)的半導體工業(yè)協(xié)會（SIA）已經(jīng)表示，一旦報告發(fā)布后將停止參與路線圖的制定，并轉(zhuǎn)向?qū)で笞约旱难邪l(fā)議程。 不過大家都同意摩爾定律的日薄西山并不意味著進展的停滯?！拔覀兛梢钥纯达w機業(yè)發(fā)生的事，”Reed說：“波音787并沒有比1950年代的707飛得更快—但二者卻是非常不同的飛機，”其中已經(jīng)進行了大量創(chuàng)新，從全電控到碳纖維機身，不一而足。計算機的情況也會這樣，他說：“創(chuàng)新絕對還會繼續(xù)—但這種創(chuàng)新會更細微更復雜?！?/p> 放棄定律 1965年的那篇令戈登·摩爾揚名天下的文章以思考當時尚屬新技術(shù)的集成電路能做些什么為開頭。摩爾當時是仙童半導體公司的研究總監(jiān)，他當時就預測到了家庭計算機、數(shù)字腕表、自動汽車以及“個人便攜式通信設備”—移動手機等東西的出現(xiàn)。那篇文章的中心正是摩爾為這樣一種未來提供一份時間表的努力。他把實現(xiàn)計算數(shù)字化的開關(guān)裝置—晶體管作為衡量微處理器計算能力的指標。在所在公司和其他公司前幾年取得成就的基礎上，他估算出每塊芯片上的晶體管和其他一些電子器件的數(shù)量每年將會翻1番。 后來與人聯(lián)合創(chuàng)辦了英特爾的摩爾低估了翻番所需的時間，1975年，他把這一時間修正為更加現(xiàn)實的2年。但是他的愿景是完全正確的。1970、1980年代，隨著惠普手持計算器、蘋果Apple II以及UBM PC等配置了微處理器消費者產(chǎn)品的出現(xiàn)，他所預測的未來變成了現(xiàn)實。對此類產(chǎn)品的需求很快開始爆發(fā)，而制造商則爭相開發(fā)出尺寸越來越小能力越來越強的芯片來滿足這種需求。 這種代價是高昂的。改進微處理器的性能意味著要按比例縮小電路元素的尺寸以便在芯片上封裝更多的電路，并且讓電子的轉(zhuǎn)移更加快速。但縮小尺寸需要對光刻術(shù)（一項將微元素蝕刻到硅表面上的基本技術(shù)）進行重大改進。但是在芯片業(yè)繁榮時期這基本不算什么難事：一個自我強化的周期開始了。鑒于芯片的通用性如此之強，以至于制造商只需制造幾種類型—主要是處理器和內(nèi)存，就能夠大量賣出去。這讓廠商獲得了足夠的資金，在彌補升級生產(chǎn)設備的成本的同時還能降低價格，從而又進一步刺激了需求的增長。 不過這種市場驅(qū)動的周期很快被證明難以維系摩爾定律無情的節(jié)律。芯片制造過程太過復雜，由于牽涉到數(shù)百道流程，也就意味著每縮小一次規(guī)模都需要一系列的材料供應商和設備制造商在合適的時間實現(xiàn)適當?shù)纳??！叭绻阈枰?0種設備但只有39種就緒，那一切也都要停下來，”德州大學奧斯汀分校研究計算機產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟學家Kenneth Flamm說。 為了進行產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)，半導體業(yè)開始制定第一份路線圖。Gargini說他們的設想是讓“大家對自己要做什么都有一個粗略的估計，并且在看到前面有路障時發(fā)出警報?！?991年美國半導體工業(yè)開始了第一份路線圖繪制的努力，來自各家公司的數(shù)百位工程師一起擬定了第一份報告及后續(xù)迭代，由當時是英特爾技術(shù)戰(zhàn)略總監(jiān)的Gargini擔任主席。1998年這項工作變成了國際半導體技術(shù)發(fā)展藍圖，歐洲、日本、臺灣地區(qū)及韓國等地的行業(yè)協(xié)會也開始參與進來（今年的報告將更換新名稱，叫做設備與系統(tǒng)國際路線圖，International Roadmap for Devices and System）。 Flamm說：“這份路線圖是一項非常有趣的實驗。據(jù)我所知，像這樣把每一家制造商、供應商凝聚在一起，指導未來要做什么事情的，任何其他行業(yè)都沒有過這種的先例?！睆男Ч麃砜?，它把摩爾定律從一項經(jīng)驗觀測轉(zhuǎn)變成了自我實現(xiàn)的預言：新的芯片之所以遵循該定律是因為行業(yè)的努力確保了芯片如此。 一切都工作得非常好，直到有一天再也做不到。 高溫死亡 第一快絆腳石并不算出乎意料。Gargini等人早在1989年就提出過警告，但大家還是撞了個結(jié)結(jié)實實—其原因是東西太小了。 “過去往往是只要我們把特征尺寸做得更小以后，好事情就會自動發(fā)生,” Third Millennium Test Solutions總裁Bill Bottoms說：“芯片會跑得更快，功耗更低?！?/p> 不過到了2000年代初期，當特征尺寸縮小到90納米以下時，這種自動的神奇魔力開始失效了。隨著電子在尺寸越來越小的硅電路跑得越來越快，芯片開始變得過熱。 這個問題是根本性的。熱量是很難干掉的，燙手的手機沒人想要。所以制造商唯有抓住手上唯一的救命稻草，Gargini說。首先，他們停止了提高“時鐘頻率”（超頻，指提高微處理器執(zhí)行指令的速率）的努力。這么做可以有效地對芯片電子的運行速度加以限制，同時也就限制了其發(fā)熱的能力。自2004年以來最大時鐘頻率就一直沒變過了。 其次，為了確保芯片性能在有速度限制的情況下仍遵循摩爾定律，他們重新設計了內(nèi)部電路，這樣單塊芯片不再只包含一個處理器，或者說“內(nèi)核”，而是2個、4個甚至更多（在當今的計算機和智能手機中，4核或者8核都是很常見的）。Gargini說，從原則上來說，“用4塊主頻250MHZ的內(nèi)核可以得到跟一塊主頻1GHZ的內(nèi)核同樣的輸出”。不過在實際應用時，要想利用上8個內(nèi)核處理器意味著要把問題分解為8小塊—這對于許多算法來說難度太大甚至是不可能的?！盁o法并行化的部分會限制你的改進，” Gargini說。 即便如此，在結(jié)合了富有創(chuàng)意的重新設計來彌補電子泄露等效應后，這兩個解決方案讓芯片制造商得以繼續(xù)縮小電路尺寸，設法讓晶體管數(shù)量跟上摩爾定律的曲線軌跡。現(xiàn)在的問題是到了2020年代初期，當尺寸縮小因為量子效應而難以為繼時會發(fā)生什么事情。接下來又該怎么辦？國際芯片制造商GlobalFoundries的電子工程師，同時是新路線圖的編制委員會主席的An Chen 說：“我們還在努力?！薄?/p> 還在努力的原因并不是由于缺少創(chuàng)意。他們想到的可能解決方案之一是擁抱一種全新的范式—比如像量子計算，這種計算模型有望為特定計算類型帶來指數(shù)性的速度增長；或者神經(jīng)形態(tài)計算，其目標是對大腦神經(jīng)元的處理要素建模。但是這些替代性計算模型尚未真正走出實驗室。而且許多研究人員認為量子計算只是在少量利基應用中體現(xiàn)出優(yōu)勢，而不是數(shù)字計算所擅長的日常任務?！啊眲趥愃共死麌覍嶒炇矣嬎銠C科學研究的負責人John Shalf在思考的問題是：“對于支票本來說，量子平衡究竟意味著什么呢？” 材料差異 還有一種辦法的確仍堅守在數(shù)字化的陣地，這種辦法的目標是要找一種“毫伏開關(guān)”：要找到一種能夠運用到設備上的材料，這種材料在速度上至少要能夠跟它的硅同行匹敵，但同時發(fā)熱卻少很多。候選的材料倒不少，從2D類石墨烯復合物到自旋電子材料都能夠通過電子自旋而不是電子移動來完成計算?！耙坏┻~出已有技術(shù)的范疇，外面就是一片待研究開發(fā)的廣闊天地，”半導體研究公司（SRC）負責納電子學研究行動的物理學家Thomas Theis說。 不幸的是，目前同樣也還沒有任何毫伏開關(guān)走出實驗室。所以有人又提出了架構(gòu)化的改進辦法：還是用硅，但是采用全新的配置方式。熱門的方案之一是3D化。摒棄過去在硅片表明蝕刻電路蓋平房的做法，轉(zhuǎn)而起摩天大樓：把許多蝕刻上微電路的硅薄層堆疊起來。從原則而言，這種做法應該能夠在同樣的空間內(nèi)集中更多的計算資源。但實際上這種做法目前只對沒有發(fā)熱問題的內(nèi)存芯片有效：它們采用的電路只是在存儲單元被訪問到時才會耗電，而某個存儲單元被訪問到并不是經(jīng)常的事情?；旌洗鎯α⒎襟w設計就是這種做法的案例之一，這種內(nèi)存堆疊了多至8層內(nèi)存，目前由三星和美光技術(shù)組成產(chǎn)業(yè)財團正在推動這種方案。 但是微處理器面臨的挑戰(zhàn)更多：一層層的堆疊發(fā)熱的東西只會讓它們更熱。不過有個辦法可以繞開這一問題，那就是廢棄內(nèi)存和處理器分開的做法，這可以有效緩解發(fā)熱—至少可以減少50%，因為機器發(fā)熱量的50%正是由于處理器和內(nèi)存之間數(shù)據(jù)的來回交換而引起的。把內(nèi)存和處理器集成到納米級的高樓大廈內(nèi)就可以干掉這部分發(fā)熱了。 但是這種辦法實現(xiàn)起來是相當棘手的，尤其是在當代的微處理器和內(nèi)存芯片差異很大的情況下，這兩樣東西很難在同一條生產(chǎn)線上裝配出來；而把它們堆疊起來又需要對芯片架構(gòu)進行徹底的重新設計。不過若干研究團體還是希望能夠?qū)崿F(xiàn)這種辦法。斯坦福大學的電子工程師Subhasish Mitra和他的同事已經(jīng)開發(fā)出了一種混合架構(gòu)，這種架構(gòu)能夠?qū)?nèi)存單元和由碳納米管制成的晶體管堆疊起來，后者還負責電流在不同層之間的流動。該小組認為這種架構(gòu)能夠把電耗降低到標準芯片的千分之一以下。 移動化 摩爾定律的另一塊絆腳石略為出乎意外，但遭遇到這塊絆腳石的時間跟第一塊大抵相同，這塊絆腳石是：計算的移動化。 25年前，計算是由桌面計算機和筆記本的需求來定義的；超級計算機和數(shù)據(jù)中心采用的基本上是跟它們一樣的微處理器，只是打包到一起的數(shù)量要多得多。但現(xiàn)在不是這樣了。今天的計算越來越多的是由高端智能手機和平板電腦說了算，以及日漸興起的智能手表等可穿戴設備，乃至于從冰箱到人體監(jiān)測等眾多數(shù)量呈爆發(fā)之勢的智能設備。這些移動設備的需求跟他們那些久坐不動的表親的是很不一樣的。 維系摩爾定律這項任務只能排在他們?nèi)蝿涨鍐魏芎竺娴奈恢谩绕涫窃谝苿討煤蛿?shù)據(jù)的處理負荷基本上已經(jīng)轉(zhuǎn)移到全球的服務器群網(wǎng)絡（也即所謂的云）上的情況下。那些服務器群現(xiàn)在統(tǒng)治著的確仍遵循摩爾定律的強大的、先進的微處理器的市場。“Google和Amazon的購買決定對英特爾決定做什么具有巨大影響，”Reed說。 對于移動來說，能保證移動設備與環(huán)境和用戶交互的電池續(xù)航時間要關(guān)鍵得多。典型智能手機里面的芯片在進行語音通話、使用Wi-fi、藍牙以及GPS時都必須收發(fā)信號，與此同時還要感應觸摸、距離、加速、磁場，甚至還包括指紋。在此之上，設備必須有一個套專門的電路負責電能管理，一面那些功能耗光電池儲能。 對于芯片制造商來說，這種問題的特殊性正在挖掘出一個與維系摩爾定律運轉(zhuǎn)類似的自我強化的經(jīng)濟周期。“過去的市場是做出來的東西類型很少，但是賣出去的數(shù)量很多，”Reed說：“而新市場是你得做很多東西，但每樣只能賣一點—所以設計和組裝最好還是要保證成本低廉?！?/p> 這些都是持續(xù)的挑戰(zhàn)。把獨立的制造技術(shù)糅合到一起，讓它們在一個設備上和平共處往往是場噩夢，Bottom說，他在新路線圖委員會中負責的正是這個專題：“不同的部件，不同的材料、電子、光電等統(tǒng)統(tǒng)打包在一起—這些問題都必須考新額架構(gòu)、新的仿真、新的開關(guān)等來解決?！?/p> 對于許多專門電路來說，設計仍然處于手工作坊時代—這意味著時間久成本高。加州大學伯克利分校的電子工程師Alberto Sangiovanni-Vincentelli和他的同事正試圖改變這一點：他們不再打算每次都從頭做起，認為大家應該可以通過組合現(xiàn)有電路的一大塊也即所謂的功能化來創(chuàng)造出新設備?！斑@就好比搭樂高積木塊一樣，” Sangiovanni-Vincentelli說。確保積木能協(xié)同工作是個挑戰(zhàn)，不過“如果你采用的是老一點的設計方法，成本是不會太高的?！?/p> 毫無疑問，成本是芯片制造商最近很關(guān)心的問題?！?b>摩爾定律的終結(jié)不是技術(shù)問題，而是經(jīng)濟問題，”Bottom說。一些公司，尤其是英特爾，在碰到量子效應的天花板之前仍然打算繼續(xù)縮小元件尺寸，他說。但是“尺寸縮得越小，成本就越高?！?/p> 每把尺寸減少一半，制造商都需要有全新一代的更精確的光刻機器?，F(xiàn)在建造一條新的生產(chǎn)線往往需要數(shù)十億美元的投資—這么多的錢只有少數(shù)公司能付得起（注：還要加上中國的傾國之力）。但是移動設備引發(fā)的市場碎片化導致投資回收更加困難。“只要下一個芯片的每晶體管成本超過現(xiàn)有成本，”Bottom說：“瘦身就會停止?！?/p> 許多觀察者認為該產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)非常接近那個點了?！拔腋掖蛸€，我們會在到達物理極限前就先把錢給花光了，”Reed說。 的確，過去10年成本的不斷攀升已經(jīng)導致了芯片業(yè)的大規(guī)模合并?，F(xiàn)在全球大多數(shù)的生產(chǎn)線已經(jīng)集中在英特爾、三星、臺積電等少數(shù)幾家企業(yè)手上。這些制造巨頭跟材料和生產(chǎn)設備供應商關(guān)系緊密，他們早已協(xié)調(diào)一致，路線圖對他們來說不再像過去那樣有用了?！靶酒圃焐痰闹匾暢潭冉^對比以前低了，”Vhen說。 就拿擔任美國產(chǎn)業(yè)研究中介的SRC來說吧，SRC曾是路線圖的長期支持者之一，SRC的副總裁Steven Hillenius說：“但大概3年前，SRC就不再提交貢獻了，因為成員公司看不出這么做有什么價值。”SRC，以及SIA希望推進一項更加長期、更加基礎的研究議程，并希望能獲得聯(lián)邦資金（可能是白宮去年7月推出國家戰(zhàn)略計算行動計劃）的支持。 去年9月，這項議程推出了5份報告，描繪了未來面臨的研究挑戰(zhàn)。其中能效問題尤其緊迫—特別是物聯(lián)網(wǎng)所包含的嵌入式智能傳感器的能效問題，這需要在沒有電池的情況下利用新技術(shù)來解決設備存活問題，比如利用環(huán)境熱能和振動來收集能量。連接性同樣重要：數(shù)十億漫游設備相互之間以及與云之間的通信覆蓋的無線頻譜范圍將達到一度不可企及的太赫（TeraHertz）級。安全也至關(guān)重要—該報告呼吁研究出新的辦法來防范未來攻擊和數(shù)據(jù)盜竊。 諸如此類的優(yōu)先事項夠研究人員未來幾年忙的了。不過至少有一部分的圈內(nèi)人士對此表示樂觀，英特爾負責先進微處理器研究的Shekhar Borkar就是其中之一。是，他說，就字面意義而言，摩爾定律即將要終結(jié)了，因為晶體管數(shù)量的指數(shù)增長已經(jīng)無法繼續(xù)。但從消費者的角度來說，“摩爾定律說的僅僅是用戶價值每兩年就會翻番?！?/b>所以這條定律還會以這種形式繼續(xù)維持下去，只要產(chǎn)業(yè)界能夠不斷往設備填充新功能的話。 想法已經(jīng)有了，Borkar說：“我們的任務是實現(xiàn)?！?/p> |
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