1965年,計算機技術(shù)尚處于起步階段,一位開創(chuàng)性的計算機工程師戈登·摩爾(Gordon Moore)寫了一篇讓當(dāng)時的技術(shù)人員倍感震驚的文章。摩爾的理論是,計算機的性能每12個月將會提升一倍,而該技術(shù)的成本同時下降50%。40年來,所謂的摩爾定律仍堅如磐石。
但對于摩爾來說,這是艱難的日子。去年,摩爾參與創(chuàng)立的計算機芯片制造商英特爾表示,它們將處理性能翻倍的速度已經(jīng)減緩到30個月。2016年5月,麻省理工學(xué)院技術(shù)評論的頭條文章標(biāo)題為“摩爾定律已死”。
的確,計算機性能的提升速度正在放緩。這種放緩也確實是一個問題:我們承諾的許多下一代產(chǎn)品取決于更快、更強大、更便宜的芯片,而且它們的發(fā)展也印證了摩爾定律將會持續(xù)的假設(shè)。如果指數(shù)級增加放緩或停止,那么虛擬現(xiàn)實、人工智能、自動駕駛汽車、醫(yī)療,以及基因工程,甚至最新的智能手機的發(fā)展都會明顯延緩。但從某個角度看,摩爾定律已死的報告可能嚴(yán)重夸大了事實。
芯片可以做到多小?
摩爾定律未死,但看上去命不久矣。如果它會復(fù)蘇,工程師和產(chǎn)品設(shè)計師必須尋找新的突破口。
“必須”不是建議,而是基于物理學(xué)定律。計算機工程師通過縮小芯片尺寸來提升其性能,但這種策略已經(jīng)過時了。在芯片設(shè)計中,我們一頭撞向了物理學(xué)和幾何學(xué)的高墻:作為一個實際問題,把芯片變得越來越小是非常困難的。
當(dāng)代芯片設(shè)計已經(jīng)將芯片各個組成部分之間的空間縮小到了十幾納米。如果您不是工程師,請您想象一張紙的厚度(約1毫米,相當(dāng)于100,000納米)。芯片內(nèi)部的空間大約是一張紙厚度的1/8000。雖然我們有可能進一步縮減這些尺寸到7納米左右,但是業(yè)內(nèi)估計,僅僅開發(fā)7nm芯片原型就將耗資1億美元,而且全球只有3家公司有能力嘗試:臺積電(TSMC),三星,以及摩爾創(chuàng)立的英特爾。英特爾剛剛宣布投資90億美元研發(fā)7納米處理器,這至少需要四年時間。
我們完成了7納米后,從更小的空間就擠不出東西了。因此,提升計算技術(shù)的性能將歸結(jié)到我們在其他兩個領(lǐng)域的創(chuàng)新做得如何,它們是熱管理和功率密度。
發(fā)熱和功率問題是設(shè)計和器件的殺手。它們對創(chuàng)新也是致命的。受尺寸以及發(fā)熱和功率問題的限制,我們基本原地踏步。
步驟1:不要設(shè)計發(fā)熱的芯片
為了重新將計算能力的提升速度恢復(fù)到原來水平,我們必須突破熱管理的界限。這樣來考慮:為了讓汽車速度更快,我們需要更強大的引擎和更好的輪胎。但現(xiàn)在,幾乎我們做的一切都是提升引擎性能,致使輪胎爆胎。
發(fā)熱問題已經(jīng)阻礙了一些計算機工程的進步,例如堆疊。堆疊是一種設(shè)計方案,計算機系統(tǒng)的各個部分,諸如處理器、存儲器和電源等等層層疊加。這縮短了遠程命令,能量必須再機器內(nèi)傳遞,節(jié)省能源,并提高處理速度。
雖然堆疊的組件速度更快,但是它們產(chǎn)生的熱量相對于彼此分開時更多。它們的接近嚴(yán)重限制了工程師維持可行的安全溫度的能力。因此,芯片制造商高通和英特爾已經(jīng)拋棄了堆疊的想法。英特爾組裝和測試開發(fā)技術(shù)總監(jiān)Babak Sabi對EETimes雜志講:“沒人真正將邏輯存儲器堆疊,除非有人提出了熱解決方案……我不認為會有人采用這種方案。”
舊的散熱技術(shù)依靠銅/鋁管和銅/鋁板來傳導(dǎo)和發(fā)散熱量。但是這些管和板很重,這使得它們在筆記本電腦、手機,和汽車等產(chǎn)品中效率低下。它們同樣僵硬、不靈活,這使得它們成為了設(shè)計的噩夢,請嘗試圍著一張銅板設(shè)計一部光滑、性感的智能手機。
好消息是,由于熱技術(shù)阻礙了計算機整體性能的進步,所以它的發(fā)展很快。未來的熱解決方案可能包括凝膠、漿料,以及新設(shè)計的柔性纖維,而不是沉重、剛性的材料。例如,NASA目前正在測試一種新的、輕便的柔性散熱材料,看起來和感覺上都很像天鵝絨。
步驟2:從功率投入中獲取更多的回報
如果熱問題束縛了摩爾定律,那么功率密度問題則讓摩爾定律徹底癱瘓。
功率密度是從設(shè)定的空間可以汲取的功率量。如果電池相同,更大的功率密度可以提供更多的功率,從而延長續(xù)航時間。回到賽車的類比,如果計算機處理是發(fā)動機,熱管理是輪胎,那么功率密度是燃料。
我們的計算機和其他電子產(chǎn)品越來越快,越來越強,需要在越來越小的空間中集中越來越多的功率——但我們的電池技術(shù)卻只是緩慢前進。正如三星Galaxy Note 7S告訴你的,在平衡更大的電源需求和更嚴(yán)格的設(shè)計規(guī)格方面,即使是最輕微的錯誤,也可能是災(zāi)難性的。
能量密度問題對于下一代移動計算產(chǎn)品,如機器人、無人機、空間探索設(shè)備,以及電動汽車而言,都是一個巨大的停止標(biāo)志。對于這些領(lǐng)域,功率密度就是一切。對于更多的休閑消費者而言,缺乏功率密度的改進正是你覺得自己的手機電池電量快速下降的原因。
使問題更進一步復(fù)雜化的是,能量密度和熱管理是相關(guān)的問題。儲存,電池充電,以及牽引供電都會產(chǎn)生熱量。因此,每當(dāng)工程師突破一個邊界時,另一方面的因素就會變得更加復(fù)雜。
芯片技術(shù)的未來
但是,我們所面臨的并非全是厄運和黑暗。我非常樂觀地認為,科學(xué)家和工程師們很快就會讓摩爾定律的步伐跨越熱管理和功率密度。我有信心的原因之一是,克服這些技術(shù)、工程和設(shè)計挑戰(zhàn)的誘因是由消費者驅(qū)動的。消費者希望電池續(xù)航時間更長,筆記本電腦不太熱;他們優(yōu)先考慮更薄、更輕的產(chǎn)品,而不是處理能力更強的產(chǎn)品。因此,當(dāng)涉及到風(fēng)險/回報的商業(yè)決策時,解決掉發(fā)熱和功率問題可以獲得可觀的經(jīng)濟回報。
另一個樂觀的原因是,創(chuàng)新減速造成了技能鏈的松弛,這意味著,我們在熱能或能源技術(shù)中每前進一步,都可能在其他方面解鎖相應(yīng)的進步。
當(dāng)這種情況發(fā)生時,新產(chǎn)品和新技術(shù)的涌現(xiàn)將變得快速而激烈,這會同時恢復(fù)并摧毀摩爾定律。摩爾預(yù)測,技術(shù)進步可能不是線性的,但最終它可能變得更加激動人心。
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