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摩尔定律大一统时代的终结序曲

作者:訾竣喆
2016/02/18 08:30

下个月,摩尔定律这一全球半导体行业自上世纪60年代起就一直遵循的原则将被吹响死亡的号角,而这也意味着信息技术革命的终结。

摩尔定律是一种推测而来的经验法则:

一颗微处理器芯片上的晶体管数量每两年左右将会翻倍,而这通常意味芯片性能也随之提升一倍

这项定律中所述的指数发展规律不仅在70年代~90年代的家用电脑发展史中得到了印证,而且在当今互联网、智能手机、汽车、冰箱、恒温器等等行业的发展中也不例外。

不过这一切并不是必然的:以芯片业为例,在每一个发展阶段中,软件开发人员都会为消费者提供对现有芯片性能充分压榨的应用,带动消费者对性能提升的需求,进而促进芯片制造商们加紧研发性能更为强悍的下一代芯片设备以满足需求。

不仅如此,自上世纪90年代以来,半导体行业每两年就会公布一份研究路线图来保证业内数以百计的制造商和供应商与摩尔定律的步调一致。往大了说,整个家用电脑行业之所以能够有条不紊的沿着定律前行很大程度上也归功于这种路线图的统一规划。

摩尔定律大一统时代的终结序曲

虽然芯片商们希望能够继续沿着摩尔定律的轨道前行,但硅处理器的物理瓶颈是早晚都要面临的问题。

随着越来越多的硅电路集成到这么一小块区域里,两年一翻倍的发展定律已经开始出现滞缓。目前高端的微处理器已经达到了14nm的工艺级别,这一数字已经小于绝大多数病毒的体积。预计在未来十年内,硅处理器就会达到其物理极限。

“即使是在整个行业不断努力研发突破的前提下,我们也还是会在20年代初期达到2~3nm的芯片工艺极限。”

——“路线图”组织 主席 Paolo Gargini

而如果再进一步缩小工艺大小的话,电子的行为将会受到量子的不确定性所影响,使得晶体管变得不再可靠。尽管研究工作一直在进行中,但目前并没有能够确定的硅技术继任者。

半导体行业在下月将公布接下来一段时间的研发路线计划,但值得注意的是,这是组织首次不再以摩尔定律为基调制定路线图。作为替代,此次将会遵循所谓的“超摩尔战略”(the More than Moore strategy):不再以芯片技术驱动应用发展,而是以应用需求为驱动力。

小到智能手机,大到超算、云数据中心,未来将以它们的需求为核心决定芯片的发展。这些芯片将成为新一代的传感器、电源管理电路和其他所需的硅设备,未来的计算将越来越趋于移动化。

但这样一来,统领电子行业50余年的摩尔定律也将被打破。美国半导体产业协会(SIA)已经代表业内所有主要的美国公司表示,在下月的报告发布之后,它将不再参与路线图的制定,未来该协会将转而进行自己的研究和发展议程。

然而摩尔定律的结束并不意味着技术发展的终结。

“每个人都纠结于路线图实际上到底意味着什么。其实,我们可以类比一下飞机业:虽然波音787并不比上世纪50年代的波音707飞得更快,但它们绝对是两架不同时代的飞机——波音787的技术创新就在于全电子操控以及碳纤维机身。这也将会是未来PC业的发展趋势,技术上的创新绝对不会停止,但它将会以更加微妙和复杂的形式来实现。”

——爱荷华大学 计算机科学家 Daniel Ree

摩尔定律的起源

戈登·摩尔在1965年发表那篇享誉盛名的文章之时,集成电路还尚属新鲜事物。当时作为仙童半导体公司研究主管的他,奇迹般地预测到了家用电脑、数字腕表、自动汽车以及“个人便携式通信设备”——手机的出现。

而在那篇文章中,摩尔想要描述出的,是一份通向未来的“发展周期表”。

基于此前几年在各家公司所取获知的技术发展状况,他把晶体管数量视为一种能够衡量微处理器计算能力的指标,并以此估算出每颗芯片上的晶体管和其他电子元件的数量能够实现每年翻一番。

而在与合伙人一同创办了Intel之后,他发现这一预测有些偏差——他低估了研发所需的时间成本和经济成本。

于是,在1975年,他把时间周期修改为了2年。

事实证明,这一周期是可靠而正确的。

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上世纪70、80年代,惠普计算机、苹果II型电脑和IBM PC等消费级微处理器设备开始大量涌现出来。市场对此类产品的需求也很快迎来了井喷,制造商们纷纷参与到这场竞争之中,竞相提升自己的芯片技术工艺。

然而研发成本是高昂的。

想要提高微处理器的性能,就需要按比例缩小电路中的元件尺寸,以允许更多的电路能够封装到芯片中,并进而加快电子的移动速度(处理速度)。想要缩小尺寸就势必需要改进光刻技术(在硅表面上进行刻蚀的一种基础性微处理器工艺技术)。

在芯片业欣欣向荣的蓬勃发展期内,一个天然的自我强化循环保证了芯片技术的投入产出比始终处于一种良性的状态之下。有鉴于芯片广泛的适用性,制造商们可以只专攻处理器和内存技术就可以保证自己的销售额足以承担用于生产下一代芯片的研发成本,而且随着技术的成熟还能进一步压低售价,拉动市场的需求。

不过事实证明,显然这个以摩尔定律为基调的市场周期已经难以为继了。

芯片制造过程的复杂程度是难以想象的,数以百计的研发工序意味着每一次产品的更迭都需要材料供应商和设备制造商及时跟上升级的步伐。

“假设制造下一代芯片需要对40种设备进行升级的话,即使只有1个设备掉队了,整个研发生产周期也要被顺延。”

——德州大学 计算机经济学家 Kenneth Flamm

为了能够更好的在业内进行统筹规划,半导体行业历史性的设计了自己的路线图。

“这样就可以使每家企业都能对自己需要在何时做何事有一个大致的规划,如果谁遇到了技术难题,就可以提前发出警报。”——“路线图”组织 主席 Gargini

在来自不同公司的数百名工程师的努力下,美国半导体产业协会在1991年的第一次报告上,正式推出了第一份路线图,时任Intel技术战略总监的Gargini担任该协会主席一职。

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到了1998年,在各界的努力下,欧洲、日本、台湾和韩国等地的协会开始与美国半导体产业协会合作,推出国际半导体技术发展路线图(the International Technology Roadmap for Semiconductors)。而随着对摩尔定律的抛弃,今年开始将更名为国际设备与系统路线图(the International Roadmap for Devices and Systems)。

“‘路线图’是一项非常有趣的实验。据我所知,还没有哪个行业选择像芯片业这样把各家制造商和供应商聚到一起,一同规划未来的发展路线。”——Flamm

事实上,摩尔定律正是在“路线图”的帮助下从一种经验法则变为了一种“自然法”。换句话说,正是因为整个行业的“积极响应”才推动了该定律从预言成为了一种既成事实。

“整个发展过程中,一切都显得那么有条不紊,直到梦醒。”——Flamm

发热的困扰 

践行摩尔定律中将会遇到的第一个技术瓶颈其实早已被预见,Gargini等人早在1989年就曾发出过警告——在客观世界中,“小”是一种有极限的形容词。

“以前的情况是:每当我们将工艺尺寸缩小时,都会有一些美好的事情发生——比如芯片处理速度的提升为功耗的降低提供了相应的空间,从而自然地对发热量进行控制。”

——Third Millennium Test Solutions 总裁 Bill Bottoms

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但到了二十一世纪后,工艺制程发展到了90nm以下时,这种增益效应就开始不再明显。制造商们发现,电子在硅电路中跑得愈快,芯片就愈热。

这是一项基础性的技术难题。

虽然热量的产生是必然的,但是没有人想买一部手机用来煎鸡蛋。

“制造商们最终选择抓住唯一的救命稻草——不再提升芯片的主频。这样做就相当于人为地对芯片进行了限速,从而控制了热量的产生程度。而这也导致自2004年以来,处理器的主频再没有较大的提升。”——Gargini

不仅如此,为了确保芯片性能可以继续沿着摩尔定律周期性提升,芯片商们在限制处理速度的基础上又做了进一步的努力。

虽然限制了处理速度,但与此同时芯片商们也重新设计了内部电路——让单颗芯片内不再只包含一颗处理器,而是两颗、四颗甚至更多,而这也就是我们如今所说的‘多核心’。发展到今天,四核、八核已经成为了如今桌面电脑和智能手机的标配。虽然理论上讲,内置4颗250MHz的芯片和单颗1GHz的芯片在处理速度上是一致的,但在现实中,想要用4颗处理器协同运算就意味着需要把单一任务分成八个部分来处理。而对于许多任务来说这一拆分过程也是十分困难的。如果无法在多核上实现并行处理的话,将会反而限制芯片性能的提升。”

即便如此,把这两个解决方案相结合之后,也的确帮助芯片制造商们成功沿着摩尔定律的道路继续缩小电路尺寸,提升晶体管的数量。

但是如果居安思危的话,由于量子效应的影响,到了20年代初期工艺尺寸势必将无法再进一步缩小,到时芯片业该何去何从呢?

或许身为国际芯片制造商 GlobalFoundries 的电子工程师兼新路线图编制委员会主席An Chen的这句话能够代表芯片制造商们的心声:

“我们仍然在苦思解决方案中。”

这并不是说芯片业不思创新,他们也想到一种可能可行的解决方案——使用诸如量子计算和神经形态计算的某种全新范式

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量子计算具备指数增长的计算潜力,而神经形态计算则能够以类大脑神经元的方式进行计算,两者与传统硅处理芯片相比都有明显的计算优势。

但这些替代范式距离真正投入量产商用还有很长一段路要走,而且目前许多研究人员都认为:量子计算只能够在少数利基应用中具备计算优势,而在面对数字计算时远没那么给力。

内部的升级优化

“一旦人们从技术上的思维定势中走出来,就会发现其实还有巨大的研究空间有待发掘。”

——半导体研究公司(SRC)物理学家 Thomas Theis

在数字领域中,另一种解决思路就是去找到某个“毫伏开关”:这种物质需要具备能够与硅匹敌的计算速度,同时还要有更低的发热量。

虽然能够列为候选的材料并不少——从2D的石墨烯类化合物到自旋电子材料,都能够通过电子的自旋而非电子的移动来完成计算,但目前并没有任何一种毫伏开关能够真正投入商用。

既然这种方法遇到了阻碍,那么换一种突破方式呢?

于是,又有人提出对架构进行改进:继续使用硅作为原材料,但用一种全新的构架设计

目前比较流行的方案就是以3D的方式进行构建,也就是把之前在硅片表面进行的平面蚀刻技术转变成多层蚀刻技术,再把这些蚀刻出的薄层硅进行堆叠。

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理论上讲,这样的确可以在同样的空间内提供更为强大的计算能力,然而在实际操作中,目前只能够应用于没有发热问题存在的内存芯片中。

这是因为内存芯片所使用的电路只有在存储单元被访问时才会耗电,而某一特定单元其实很少会被频繁地访问,所以不会产生过多的热量。

“混合存储多维数据集”这种设计就是其中的一个应用范例——这种内存会堆叠多达8层内存。该设计最早是由三星和镁光主导的行业协会推动完成。

对比来看,显然直接把这种设计思路硬套到微处理器上是不科学的:因为叠加的层数越多也就意味着发热量反而更大

不过这一问题并非无法解决,最简单的解决方式就是将内存集成到微处理器芯片中。

二者合而为一后,内存与微处理器芯片将无需再进行频繁的数据交换,而这至少能够干掉50%的发热量。换句话说,只要把内存和微处理器从纳米级的层面上整合到叠加层中就可以完美解决

但说起来容易做起来难,首先面临的一大难题就是量产。目前来看,微处理器和内存芯片的结构差异很大,基本没有在同一条生产线上生产出来的可能。不仅如此,如果想要把两者有机的堆叠起来还需要大幅重新设计芯片结构。但是有鉴于这一解决方案的完美性,还是有很多研究小组在不断努力尝试中。

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斯坦福大学的电子工程师 Subhasish Mitra 和他的同事们就开发出了一种混合架构,能够将内存单元和碳纳米管制成的晶体管堆叠,而且还能够确保电子在不同叠加层间进行有序移动。该团队还表示,他们所设计出的这种体系结构能把功耗降低到标准芯片的千分之一。

移动化大潮

践行摩尔定律中遇到的第二个技术瓶颈几乎与第一个技术瓶颈同时出现,但不同的是这一问题是人们始料未及的,那就是计算的移动化。

在25年前,“计算”(computing)一词的定义还只是局限于桌面和笔记本电脑间,即使是超级计算机或大型的数据中心,从本质上讲也不过是将数量庞大的微处理器放在了一起进行协作计算。但我们再看看现在,日常的“计算”工作已经越来越多的交由智能手机和平板电脑来完成。此外,诸如智能手表等可穿戴设备已经又进一步把“计算”的定义“移动化”。人们对于这些移动设备的需求完全不同于传统的PC和笔记本电脑,移动化计算已经成为了一种趋势。

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而在当今大部分移动应用和数据处理工作都交给云服务器的大背景下,这些服务器将引领芯片商们继续遵循摩尔定律的道路推出更为强大的微处理器。

“Google和亚马逊的采购决策对Intel的生产研发工作有着巨大影响。”——Reed

然而,对于手机而言,相对于性能来说,更为重要的是持久的续航能力。

在典型的智能手机应用场景中,芯片不仅要为语音通话、Wifi、蓝牙以及GPS等功能随时待命,还要对触摸感应、距离感应、加速度测算、磁场感应甚至指纹识别等功能提供全天候支持。所以智能手机必须有一套专用的电源管理系统来负责协调电路功耗和用户体验。

而芯片制造商所要面对的问题是:这种特殊需求将会破坏摩尔定律自我强化的发展周期

“以前市场的情况是:即便做出来的芯片种类很少,单一产品的销量也十分庞大。而现在的市场则是:即便每种芯片只能卖出去几十万颗,芯片商们也必须做出很多种产品,这就需要芯片商们把设计和组装成本压得很低。”——Reed

把许多各自独立的生产技术结合到一起,使其能够在同一设备中协同工作,是一项非常困难的事情。

“如果想要把大量不同材料的组件以及电子、光子等都封装到一起的话,就必须研发出能够使之在狭小空间内共存的新型架构,以及新的模拟器、交换机等等。”——Reed

对于许多的专用电路来说,设计仍然是一项需要耗费大量时间和人力的传统工作。

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不过,加州大学伯克利分校的电气工程师Alberto Sangiovanni-Vincentelli和他的同事们正在尝试改变这一现状。他们的想法是,设计师们不需要每次设计都从头做起,他们可以通过将大量已设计完毕的电路进行模块化组合来完成新的芯片设计。

“理论上讲,这就跟用乐高积木搭造型一样。不过这一过程同样充满了挑战,设计师们需要确保这些模块化的电路能够在一起协同工作。虽然难度系数比较大,但总比用传统方法设计电路所需的成本更低廉一些。”——Sangiovanni-Vincentelli

换句话说,当下困扰芯片商的难题不是技术,而是成本。

“摩尔定律时代的终结所带来的不是技术问题,而是经济问题。目前诸如Intel等芯片商仍然在尝试继续缩小元件尺寸而非从量子的途径寻找解决方案。但事实上,工艺尺寸愈小,研发成本就愈高,这是必然的。”——Bottom

芯片工艺的每次提升,都意味着制造商们要制造出更加精确的光刻机。以现在的经济水平来看,建立一个新的生产线通常都需要数十亿美元,大部分企业都无法承担这么多的成本投入,而移动设备市场的碎片化问题则进一步加剧了资金回流的难度。

“只要研发下一代芯片所需的单晶体管成本超过现有成本,这一平衡就会打破,工艺尺寸的升级就会停止。”——Bottom

许多观察者认为,芯片业已经非常接近这一临界点了。

“我敢打赌,我们在达到物理极限之前就会停止这一疯狂的行为。”——Reed

诚然,在过去的10年里,成本的不断攀升已经导致芯片业内部出现了合并潮。当今世界上大部分的生产线现在都已经落到了诸如Intel、三星、台积电等企业的手里。这些芯片制造业巨头早已与设备制造商们形成了紧密的统一战线,路线图存在的意义已经被大打折扣。

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“芯片制造商们对路线图的需求已经没那么强烈了。”——Vhen

虽然SRC作为美国行业研究机构,是路线图的长期支持者,但SRC的副总裁Steven Hillenius也表示:

“大约在三年前,SRC就已经不再对路线图的制定提供支持了,因为内部的成员公司已经看不到它存在的意义。"

日前,SRC联合SIC一起,开始致力于建立一项更为长效而基础的研究议程,并希望能够在白宫去年7月推出的“国家战略计算计划”中获得联邦的资金支持。

这项议程是于去年9月提出的,其中包含5份报告,报告中描述了未来可能会面临的研究难题:

即使只是上文中列出的这三点就已经够研究人员忙上几年了。

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不过,还是有一部分业内人士对此表示乐观态度。其中就包括在Intel从事先进微处理器研究的主管Shekhar Borkar:

“虽然从字面意思上来看,晶体管数量的指数增长的确已经无以为继,摩尔定律的时代即将终结。但从消费者的角度来看,其实摩尔定律只是在说芯片对于用户的价值每两年就会翻一番。而从这一角度来看,只要行业内能够继续向设备增加新的功能,摩尔定律就不会死亡。”

此外,Borkar还表示,具体的实施方案已经出炉。

“我们的任务就是把这些方案化为现实。”

【编者按】本文编译自nature

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