風(fēng)光不再：摩爾定律時(shí)代即將離去

科技行業(yè)日新月異，變幻莫測(cè)，但其背后有一雙看不見(jiàn)的手，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)著科技行業(yè)的發(fā)展速度，這就是大名鼎鼎的“摩爾定律”。最近各大媒體瘋狂報(bào)道摩爾定律吹響了死亡的號(hào)角，下面我們就來(lái)對(duì)這個(gè)具有50多載歷史的“摩爾定律”刨根問(wèn)底刨個(gè)稀爛!

摩爾定律初顯現(xiàn)

1965年，Intel聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾提出了他著名的理論：半導(dǎo)體芯片上可集成的元器件的數(shù)目每12個(gè)月便會(huì)增加一倍。也就是說(shuō)，同樣規(guī)格的芯片的成本，每12個(gè)月便會(huì)降低一半。那年摩爾36歲，時(shí)任仙童半導(dǎo)體工程師。直到10年后的1975年，他對(duì)自己的理論進(jìn)行修改，將每一年增加一倍修改成了每?jī)赡暝黾右槐?，并延續(xù)至今。

“The number of transistors incorporated in a chip will approximately double every 24months.”

半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)量，每?jī)赡陼?huì)增長(zhǎng)一倍。

摩爾定律究竟有多厲害?

你手里的智能手機(jī)恐怕比上個(gè)世紀(jì) 50 年代的超級(jí)計(jì)算機(jī)還要強(qiáng)出不知道多少倍，這都要得益于處理器工藝技術(shù)的不斷提升，以至于指甲蓋大小的硅板上能夠放置的晶體管數(shù)量已經(jīng)多到無(wú)法想象。據(jù)計(jì)算，目前人類能夠達(dá)到的最強(qiáng)處理能力已經(jīng)較上個(gè)世紀(jì)計(jì)算機(jī)被發(fā)明的時(shí)候提高兆億倍。

摩爾定律兩大【技術(shù)瓶頸】難如登天

半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，處理器產(chǎn)品發(fā)展速率與摩爾定律遙相呼應(yīng)，整個(gè)發(fā)展過(guò)程都顯得那么有條不紊，直到夢(mèng)醒。

踐行摩爾定律中遇到的第一個(gè)技術(shù)瓶頸：發(fā)熱的難題

在90納米時(shí)代，應(yīng)變硅技術(shù)問(wèn)世。在45納米時(shí)代，一種能提高晶體管電容的新材料推出。在22納米時(shí)代，三柵極晶體管使芯片性能變得更強(qiáng)大。然而到了二十一世紀(jì)后，工藝制程發(fā)展到了90nm以下時(shí)，這種增益效應(yīng)就開(kāi)始不再明顯。制造商們發(fā)現(xiàn)，電子在硅電路中跑得愈快，芯片就愈熱。

如果芯片按照摩爾定律的路線圖越來(lái)越小，那么電子的行為會(huì)開(kāi)始變得不穩(wěn)定：經(jīng)典物理學(xué)定律在這里將不再適用，并會(huì)被不穩(wěn)定性原理所取代。你或許有能力把芯片做到這么小，但它們是否還能正常工作就說(shuō)不定了。

踐行摩爾定律中遇到的第二個(gè)技術(shù)瓶頸：計(jì)算的移動(dòng)化。

與第一個(gè)技術(shù)瓶頸不同的是這一問(wèn)題是人們始料未及的，現(xiàn)在日常的“計(jì)算”工作已經(jīng)越來(lái)越多的交由智能手機(jī)和平板電腦來(lái)完成。人們對(duì)于這些移動(dòng)設(shè)備的需求完全不同于傳統(tǒng)的PC和筆記本電腦，移動(dòng)化計(jì)算已經(jīng)成為了一種趨勢(shì)。

在典型的智能手機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景中，芯片不僅要為語(yǔ)音通話、Wifi、藍(lán)牙以及GPS等功能隨時(shí)待命，還要對(duì)觸摸感應(yīng)、距離感應(yīng)、加速度測(cè)算、磁場(chǎng)感應(yīng)甚至指紋識(shí)別等功能提供全天候支持。所以智能手機(jī)必須有一套專用的電源管理系統(tǒng)來(lái)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)電路功耗和用戶體驗(yàn)。

那么問(wèn)題來(lái)了，芯片制造商所要面對(duì)的是：這種特殊需求將會(huì)破壞摩爾定律自我強(qiáng)化的發(fā)展周期。

對(duì)于許多的專用電路來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)仍然是一項(xiàng)需要耗費(fèi)大量時(shí)間和人力的傳統(tǒng)工作。換句話說(shuō)，當(dāng)下困擾芯片商的難題不是技術(shù)，而是成本。

芯片工藝的每次提升，都意味著制造商們要制造出更加精確的光刻機(jī)。以現(xiàn)在的經(jīng)濟(jì)水平來(lái)看，建立一個(gè)新的生產(chǎn)線通常都需要數(shù)十億美元，大部分企業(yè)都無(wú)法承擔(dān)這么多的成本投入，而移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)的碎片化問(wèn)題則進(jìn)一步加劇了資金回流的難度。

種種這些技術(shù)難題都意味著以摩爾定律為驅(qū)動(dòng)的路線圖走到了盡頭，即使是摩爾本人，也表示摩爾定律或?qū)⒂?0年內(nèi)終隕。

路線圖一步步走向冷宮

誠(chéng)然，在過(guò)去的10年里，成本的不斷攀升已經(jīng)導(dǎo)致芯片業(yè)內(nèi)部出現(xiàn)了合并潮。當(dāng)今世界上大部分的生產(chǎn)線現(xiàn)在都已經(jīng)落到了諸如Intel、三星、臺(tái)積電等企業(yè)的手里。這些芯片制造業(yè)巨頭早已與設(shè)備制造商們形成了緊密的統(tǒng)一戰(zhàn)線，路線圖存在的意義已經(jīng)被大打折扣。

雖然SRC作為美國(guó)行業(yè)研究機(jī)構(gòu)，是路線圖的長(zhǎng)期支持者，但SRC的副總裁Steven Hillenius也表示：

“大約在三年前，SRC就已經(jīng)不再對(duì)路線圖的制定提供支持了，因?yàn)閮?nèi)部的成員公司已經(jīng)看不到它存在的意義。"

“超摩爾定律”后來(lái)居上

大自然的進(jìn)化規(guī)則告訴我們“適者生存，不適者淘汰”。2014年半導(dǎo)體行業(yè)公布了接下來(lái)一段時(shí)間的研發(fā)路線計(jì)劃，這是組織首次不以摩爾定律為基調(diào)所制定的路線圖。作為替代，此次將會(huì)遵循所謂的“超摩爾戰(zhàn)略”(the More than Moore strategy):不再以芯片技術(shù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用發(fā)展，而是以應(yīng)用需求為驅(qū)動(dòng)力。

半導(dǎo)體行業(yè)的新路線圖“出爐”

2014年，國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖組織決定，下一份路線圖將不再依照摩爾定律。

例如，智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展意味著，多樣化的傳感器和低功耗處理器的重要性將大幅提升。用于這些設(shè)備的高集成度芯片不僅需要邏輯處理和緩存模塊，還需要內(nèi)存和電源管理模塊，用于GPS、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)的模擬器件，甚至陀螺儀和加速計(jì)等MEMS器件。

此外，新的路線圖還將關(guān)注新技術(shù)，而不僅是當(dāng)前的硅CMOS工藝。英特爾已宣布，在達(dá)到7納米工藝之后，將不再使用硅材料。銻化銦和銦鎵砷化合物都有著不錯(cuò)的前景。與硅相比，這些材料能帶來(lái)更快的開(kāi)關(guān)速度，而功耗也較低。碳材料，無(wú)論是碳納米管還是石墨烯，也在繼續(xù)被業(yè)內(nèi)研究。

在許多備選材料中，二維材料“石墨烯”被看好。這種自旋電子材料通過(guò)翻轉(zhuǎn)電子自旋來(lái)計(jì)算，而不是通過(guò)移動(dòng)電子。這種“毫伏特”量級(jí)(操作電壓比“伏特”量級(jí)的晶體管要低得多)的電子開(kāi)關(guān)比硅材料開(kāi)關(guān)的速度更快，而且發(fā)熱量更小。不幸的是這種電子材料還未走出實(shí)驗(yàn)室。

石墨烯的掃描探針顯微鏡圖像

當(dāng)然，新的路線圖并沒(méi)有完全放棄原本的幾何縮減方式。除了三柵極晶體管，也許到2020年左右，會(huì)出現(xiàn)采用柵完全包圍的晶體管和納米線。到21世紀(jì)20年代中期可能會(huì)有整體三維芯片，一塊硅上多層組件就構(gòu)成了一個(gè)單芯片。

革命尚未成功 同志仍需努力

日前，SRC聯(lián)合SIC一起，開(kāi)始致力于建立一項(xiàng)更為長(zhǎng)效而基礎(chǔ)的研究議程，并希望能夠在白宮去年7月推出的“國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)算計(jì)劃”中獲得聯(lián)邦的資金支持。

這項(xiàng)議程是于去年9月提出的，其中包含5份報(bào)告，報(bào)告中描述了未來(lái)可能會(huì)面臨的研究難題：

首當(dāng)其沖的就是能效問(wèn)題——特別是對(duì)于由嵌入式智能傳感器組成的“物聯(lián)網(wǎng)”，未來(lái)將需要在沒(méi)有電池的情況下，將周圍環(huán)境中的熱能和動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電力;

另一個(gè)問(wèn)題就是可連接性——未來(lái)，數(shù)十億臺(tái)設(shè)備間進(jìn)行通信和云計(jì)算所需要的帶寬是難以想象的，而目前可以預(yù)見(jiàn)的一種解決方案就是利用現(xiàn)今尚無(wú)法企及的紅外光譜深處的太赫茲波段;

第三個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題就是安全性——未來(lái)我們將需要構(gòu)建更為牢固的安全機(jī)制來(lái)防范網(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)盜竊。

即使只是上文中列出的這三點(diǎn)就已經(jīng)夠研究人員忙上幾年了。

摩爾定律你永遠(yuǎn)活在我們心中

“雖然從字面意思上來(lái)看，晶體管數(shù)量的指數(shù)增長(zhǎng)的確已經(jīng)無(wú)以為繼，摩爾定律的時(shí)代即將終結(jié)。但從消費(fèi)者的角度來(lái)看，其實(shí)摩爾定律只是在說(shuō)芯片對(duì)于用戶的價(jià)值每?jī)赡昃蜁?huì)翻一番。而從這一角度來(lái)看，只要行業(yè)內(nèi)能夠繼續(xù)向設(shè)備增加新的功能，摩爾定律就不會(huì)死亡。”Intel從事先進(jìn)微處理器研究的主管Shekhar Borkar表示。

英特爾銷售與市場(chǎng)事業(yè)部副總裁兼英特爾中國(guó)區(qū)總經(jīng)理夏樂(lè)蓓認(rèn)為，摩爾定律不止一種解讀方法。它可以解讀為一種概念，代表著創(chuàng)新的節(jié)奏或速度，就像半導(dǎo)體技術(shù)路線圖所闡釋的那樣，也可以從行業(yè)的實(shí)際發(fā)展來(lái)加以理解，例如整個(gè)制造環(huán)節(jié)仍然遵循著摩爾定律的規(guī)律演進(jìn)。摩爾定律更像是一個(gè)信仰系統(tǒng)。這個(gè)信仰催促著科技企業(yè)不斷超越自我，并取得新的突破。就信仰而言，摩爾定律將永久不衰。

“因此，在我們看來(lái)，無(wú)論從字面意義或行業(yè)實(shí)際解讀來(lái)看，摩爾定律仍然是有意義的，你將永遠(yuǎn)活在我們心中”