摩爾定律大一統時代的終結序曲

下個月，摩爾定律這一全球半導體行業自上世紀60年代起就一直遵循的原則將被吹響死亡的號角，而這也意味著信息技術革命的終結。

摩爾定律是一種推測而來的經驗法則：

一顆微處理器晶片上的電晶體數量每兩年左右將會翻倍，而這通常意味晶片性能也隨之提升一倍

這項定律中所述的指數發展規律不僅在70年代~90年代的家用電腦發展史中得到了印證，而且在當今網際網路、智慧型手機、汽車、冰箱、恆溫器等等行業的發展中也不例外。

不過這一切並不是必然的：以晶片業為例，在每一個發展階段中，軟體開發人員都會為消費者提供對現有晶片性能充分壓榨的應用，帶動消費者對性能提升的需求，進而促進晶片製造商們加緊研發性能更為強悍的下一代晶片設備以滿足需求。

不僅如此，自上世紀90年代以來，半導體行業每兩年就會公布一份研究路線圖來保證業內數以百計的製造商和供應商與摩爾定律的步調一致。

往大了說，整個家用電腦行業之所以能夠有條不紊的沿著定律前行很大程度上也歸功於這種路線圖的統一規劃。

雖然晶片商們希望能夠繼續沿著摩爾定律的軌道前行，但矽處理器的物理瓶頸是早晚都要面臨的問題。

隨著越來越多的矽電路集成到這麼一小塊區域裡，兩年一翻倍的發展定律已經開始出現滯緩。

目前高端的微處理器已經達到了14nm的工藝級別，這一數字已經小於絕大多數病毒的體積。

預計在未來十年內，矽處理器就會達到其物理極限。

「即使是在整個行業不斷努力研發突破的前提下，我們也還是會在20年代初期達到2~3nm的晶片工藝極限。

」

——「路線圖」組織 主席 Paolo Gargini

而如果再進一步縮小工藝大小的話，電子的行為將會受到量子的不確定性所影響，使得電晶體變得不再可靠。

儘管研究工作一直在進行中，但目前並沒有能夠確定的矽技術繼任者。

半導體行業在下月將公布接下來一段時間的研發路線計劃，但值得注意的是，這是組織首次不再以摩爾定律為基調製定路線圖。

作為替代，此次將會遵循所謂的「超摩爾戰略」（the More than Moore strategy）:不再以晶片技術驅動應用發展，而是以應用需求為驅動力。

小到智慧型手機，大到超算、雲數據中心，未來將以它們的需求為核心決定晶片的發展。

這些晶片將成為新一代的傳感器、電源管理電路和其他所需的矽設備，未來的計算將越來越趨於移動化。

但這樣一來，統領電子行業50餘年的摩爾定律也將被打破。

美國半導體產業協會(SIA)已經代表業內所有主要的美國公司表示，在下月的報告發布之後，它將不再參與路線圖的制定，未來該協會將轉而進行自己的研究和發展議程。

然而摩爾定律的結束並不意味著技術發展的終結。

「每個人都糾結於路線圖實際上到底意味著什麼。

其實，我們可以類比一下飛機業：雖然波音787並不比上世紀50年代的波音707飛得更快，但它們絕對是兩架不同時代的飛機——波音787的技術創新就在於全電子操控以及碳纖維機身。

這也將會是未來PC業的發展趨勢，技術上的創新絕對不會停止，但它將會以更加微妙和複雜的形式來實現。

」

——愛荷華大學 計算機科學家 Daniel Ree

摩爾定律的起源

戈登·摩爾在1965年發表那篇享譽盛名的文章之時，集成電路還尚屬新鮮事物。

當時作為仙童半導體公司研究主管的他，奇蹟般地預測到了家用電腦、數字腕錶、自動汽車以及「個人可攜式通信設備」——手機的出現。

而在那篇文章中，摩爾想要描述出的，是一份通向未來的「發展周期表」。

基於此前幾年在各家公司所取獲知的技術發展狀況，他把電晶體數量視為一種能夠衡量微處理器計算能力的指標，並以此估算出每顆晶片上的電晶體和其他電子元件的數量能夠實現每年翻一番。

而在與合伙人一同創辦了Intel之後，他發現這一預測有些偏差——他低估了研發所需的時間成本和經濟成本。

於是，在1975年，他把時間周期修改為了2年。

事實證明，這一周期是可靠而正確的。

上世紀70、80年代，惠普計算機、蘋果II型電腦和IBM PC等消費級微處理器設備開始大量湧現出來。

市場對此類產品的需求也很快迎來了井噴，製造商們紛紛參與到這場競爭之中，競相提升自己的晶片技術工藝。

然而研發成本是高昂的。

想要提高微處理器的性能，就需要按比例縮小電路中的元件尺寸，以允許更多的電路能夠封裝到晶片中，並進而加快電子的移動速度（處理速度）。

想要縮小尺寸就勢必需要改進光刻技術（在矽表面上進行刻蝕的一種基礎性微處理器工藝技術）。

在晶片業欣欣向榮的蓬勃發展期內，一個天然的自我強化循環保證了晶片技術的投入產出比始終處於一種良性的狀態之下。

有鑒於晶片廣泛的適用性，製造商們可以只專攻處理器和內存技術就可以保證自己的銷售額足以承擔用於生產下一代晶片的研發成本，而且隨著技術的成熟還能進一步壓低售價，拉動市場的需求。

不過事實證明，顯然這個以摩爾定律為基調的市場周期已經難以為繼了。

晶片製造過程的複雜程度是難以想像的，數以百計的研發工序意味著每一次產品的更迭都需要材料供應商和設備製造商及時跟上升級的步伐。

「假設製造下一代晶片需要對40種設備進行升級的話，即使只有1個設備掉隊了，整個研發生產周期也要被順延。

」

——德州大學 計算機經濟學家 Kenneth Flamm

為了能夠更好的在業內進行統籌規劃，半導體行業歷史性的設計了自己的路線圖。

「這樣就可以使每家企業都能對自己需要在何時做何事有一個大致的規劃，如果誰遇到了技術難題，就可以提前發出警報。

」——「路線圖」組織 主席 Gargini

在來自不同公司的數百名工程師的努力下，美國半導體產業協會在1991年的第一次報告上，正式推出了第一份路線圖，時任Intel技術戰略總監的Gargini擔任該協會主席一職。

到了1998年，在各界的努力下，歐洲、日本、台灣和韓國等地的協會開始與美國半導體產業協會合作，推出國際半導體技術發展路線圖（the International Technology Roadmap for Semiconductors）。

而隨著對摩爾定律的拋棄，今年開始將更名為國際設備與系統路線圖（the International Roadmap for Devices and Systems）。

「『路線圖』是一項非常有趣的實驗。

據我所知，還沒有哪個行業選擇像晶片業這樣把各家製造商和供應商聚到一起，一同規劃未來的發展路線。

」——Flamm

事實上，摩爾定律正是在「路線圖」的幫助下從一種經驗法則變為了一種「自然法」。

換句話說，正是因為整個行業的「積極響應」才推動了該定律從預言成為了一種既成事實。

「整個發展過程中，一切都顯得那麼有條不紊，直到夢醒。

」——Flamm

發熱的困擾

踐行摩爾定律中將會遇到的第一個技術瓶頸其實早已被預見，Gargini等人早在1989年就曾發出過警告——在客觀世界中，「小」是一種有極限的形容詞。

「以前的情況是：每當我們將工藝尺寸縮小時，都會有一些美好的事情發生——比如晶片處理速度的提升為功耗的降低提供了相應的空間，從而自然地對發熱量進行控制。

」

——Third Millennium Test Solutions 總裁 Bill Bottoms

但到了二十一世紀後，工藝製程發展到了90nm以下時，這種增益效應就開始不再明顯。

製造商們發現，電子在矽電路中跑得愈快，晶片就愈熱。

這是一項基礎性的技術難題。

雖然熱量的產生是必然的，但是沒有人想買一部手機用來煎雞蛋。

「製造商們最終選擇抓住唯一的救命稻草——不再提升晶片的主頻。

這樣做就相當於人為地對晶片進行了限速，從而控制了熱量的產生程度。

而這也導致自2004年以來，處理器的主頻再沒有較大的提升。

」——Gargini

不僅如此，為了確保晶片性能可以繼續沿著摩爾定律周期性提升，晶片商們在限制處理速度的基礎上又做了進一步的努力。

「雖然限制了處理速度，但與此同時晶片商們也重新設計了內部電路——讓單顆晶片內不再只包含一顆處理器，而是兩顆、四顆甚至更多，而這也就是我們如今所說的『多核心』。

發展到今天，四核、八核已經成為了如今桌面電腦和智慧型手機的標配。

雖然理論上講，內置4顆250MHz的晶片和單顆1GHz的晶片在處理速度上是一致的，但在現實中，想要用4顆處理器協同運算就意味著需要把單一任務分成八個部分來處理。

而對於許多任務來說這一拆分過程也是十分困難的。

如果無法在多核上實現並行處理的話，將會反而限制晶片性能的提升。

」

即便如此，把這兩個解決方案相結合之後，也的確幫助晶片製造商們成功沿著摩爾定律的道路繼續縮小電路尺寸，提升電晶體的數量。

但是如果居安思危的話，由於量子效應的影響，到了20年代初期工藝尺寸勢必將無法再進一步縮小，到時晶片業該何去何從呢？

或許身為國際晶片製造商 GlobalFoundries 的電子工程師兼新路線圖編制委員會主席An Chen的這句話能夠代表晶片製造商們的心聲：

「我們仍然在苦思解決方案中。

」

這並不是說晶片業不思創新，他們也想到一種可能可行的解決方案——使用諸如量子計算和神經形態計算的某種全新範式。

量子計算具備指數增長的計算潛力，而神經形態計算則能夠以類大腦神經元的方式進行計算，兩者與傳統矽處理晶片相比都有明顯的計算優勢。

但這些替代範式距離真正投入量產商用還有很長一段路要走，而且目前許多研究人員都認為：量子計算只能夠在少數利基應用中具備計算優勢，而在面對數字計算時遠沒那麼給力。

內部的升級優化

「一旦人們從技術上的思維定勢中走出來，就會發現其實還有巨大的研究空間有待發掘。

」

——半導體研究公司（SRC）物理學家 Thomas Theis

在數字領域中，另一種解決思路就是去找到某個「毫伏開關」：這種物質需要具備能夠與矽匹敵的計算速度，同時還要有更低的發熱量。

雖然能夠列為候選的材料並不少——從2D的石墨烯類化合物到自旋電子材料，都能夠通過電子的自旋而非電子的移動來完成計算，但目前並沒有任何一種毫伏開關能夠真正投入商用。

既然這種方法遇到了阻礙，那麼換一種突破方式呢？

於是，又有人提出對架構進行改進：繼續使用矽作為原材料，但用一種全新的構架設計。

目前比較流行的方案就是以3D的方式進行構建，也就是把之前在矽片表面進行的平面蝕刻技術轉變成多層蝕刻技術，再把這些蝕刻出的薄層矽進行堆疊。

理論上講，這樣的確可以在同樣的空間內提供更為強大的計算能力，然而在實際操作中，目前只能夠應用於沒有發熱問題存在的內存晶片中。

這是因為內存晶片所使用的電路只有在存儲單元被訪問時才會耗電，而某一特定單元其實很少會被頻繁地訪問，所以不會產生過多的熱量。

「混合存儲多維數據集」這種設計就是其中的一個應用範例——這種內存會堆疊多達8層內存。

該設計最早是由三星和鎂光主導的行業協會推動完成。

對比來看，顯然直接把這種設計思路硬套到微處理器上是不科學的：因為疊加的層數越多也就意味著發熱量反而更大。

不過這一問題並非無法解決，最簡單的解決方式就是將內存集成到微處理器晶片中。

二者合而為一後，內存與微處理器晶片將無需再進行頻繁的數據交換，而這至少能夠幹掉50%的發熱量。

換句話說，只要把內存和微處理器從納米級的層面上整合到疊加層中就可以完美解決。

但說起來容易做起來難，首先面臨的一大難題就是量產。

目前來看，微處理器和內存晶片的結構差異很大，基本沒有在同一條生產線上生產出來的可能。

不僅如此，如果想要把兩者有機的堆疊起來還需要大幅重新設計晶片結構。

但是有鑒於這一解決方案的完美性，還是有很多研究小組在不斷努力嘗試中。

史丹福大學的電子工程師 Subhasish Mitra 和他的同事們就開發出了一種混合架構，能夠將內存單元和碳納米管製成的電晶體堆疊，而且還能夠確保電子在不同疊加層間進行有序移動。

該團隊還表示，他們所設計出的這種體系結構能把功耗降低到標準晶片的千分之一。

移動化大潮

踐行摩爾定律中遇到的第二個技術瓶頸幾乎與第一個技術瓶頸同時出現，但不同的是這一問題是人們始料未及的，那就是計算的移動化。

在25年前，「計算」（computing）一詞的定義還只是局限於桌面和筆記本電腦間，即使是超級計算機或大型的數據中心，從本質上講也不過是將數量龐大的微處理器放在了一起進行協作計算。

但我們再看看現在，日常的「計算」工作已經越來越多的交由智慧型手機和平板電腦來完成。

此外，諸如智能手錶等可穿戴設備已經又進一步把「計算」的定義「移動化」。

人們對於這些移動設備的需求完全不同於傳統的PC和筆記本電腦，移動化計算已經成為了一種趨勢。

而在當今大部分移動應用和數據處理工作都交給雲伺服器的大背景下，這些伺服器將引領晶片商們繼續遵循摩爾定律的道路推出更為強大的微處理器。

「Google和亞馬遜的採購決策對Intel的生產研發工作有著巨大影響。

」——Reed

然而，對於手機而言，相對於性能來說，更為重要的是持久的續航能力。

在典型的智慧型手機應用場景中，晶片不僅要為語音通話、Wifi、藍牙以及GPS等功能隨時待命，還要對觸摸感應、距離感應、加速度測算、磁場感應甚至指紋識別等功能提供全天候支持。

所以智慧型手機必須有一套專用的電源管理系統來負責協調電路功耗和用戶體驗。

而晶片製造商所要面對的問題是：這種特殊需求將會破壞摩爾定律自我強化的發展周期。

「以前市場的情況是：即便做出來的晶片種類很少，單一產品的銷量也十分龐大。

而現在的市場則是：即便每種晶片只能賣出去幾十萬顆，晶片商們也必須做出很多種產品，這就需要晶片商們把設計和組裝成本壓得很低。

」——Reed

把許多各自獨立的生產技術結合到一起，使其能夠在同一設備中協同工作，是一項非常困難的事情。

「如果想要把大量不同材料的組件以及電子、光子等都封裝到一起的話，就必須研發出能夠使之在狹小空間內共存的新型架構，以及新的模擬器、交換機等等。

」——Reed

對於許多的專用電路來說，設計仍然是一項需要耗費大量時間和人力的傳統工作。

不過，加州大學伯克利分校的電氣工程師Alberto Sangiovanni-Vincentelli和他的同事們正在嘗試改變這一現狀。

他們的想法是，設計師們不需要每次設計都從頭做起，他們可以通過將大量已設計完畢的電路進行模塊化組合來完成新的晶片設計。

「理論上講，這就跟用樂高積木搭造型一樣。

不過這一過程同樣充滿了挑戰，設計師們需要確保這些模塊化的電路能夠在一起協同工作。

雖然難度係數比較大，但總比用傳統方法設計電路所需的成本更低廉一些。

」——Sangiovanni-Vincentelli

換句話說，當下困擾晶片商的難題不是技術，而是成本。

「摩爾定律時代的終結所帶來的不是技術問題，而是經濟問題。

目前諸如Intel等晶片商仍然在嘗試繼續縮小元件尺寸而非從量子的途徑尋找解決方案。

但事實上，工藝尺寸愈小，研發成本就愈高，這是必然的。

」——Bottom

晶片工藝的每次提升，都意味著製造商們要製造出更加精確的光刻機。

以現在的經濟水平來看，建立一個新的生產線通常都需要數十億美元，大部分企業都無法承擔這麼多的成本投入，而移動設備市場的碎片化問題則進一步加劇了資金回流的難度。

「只要研發下一代晶片所需的單電晶體成本超過現有成本，這一平衡就會打破，工藝尺寸的升級就會停止。

」——Bottom

許多觀察者認為，晶片業已經非常接近這一臨界點了。

「我敢打賭，我們在達到物理極限之前就會停止這一瘋狂的行為。

」——Reed

誠然，在過去的10年里，成本的不斷攀升已經導致晶片業內部出現了合併潮。

當今世界上大部分的生產線現在都已經落到了諸如Intel、三星、台積電等企業的手裡。

這些晶片製造業巨頭早已與設備製造商們形成了緊密的統一戰線，路線圖存在的意義已經被大打折扣。

「晶片製造商們對路線圖的需求已經沒那麼強烈了。

」——Vhen

雖然SRC作為美國行業研究機構，是路線圖的長期支持者，但SRC的副總裁Steven Hillenius也表示：

「大約在三年前，SRC就已經不再對路線圖的制定提供支持了，因為內部的成員公司已經看不到它存在的意義。

"

日前，SRC聯合SIC一起，開始致力於建立一項更為長效而基礎的研究議程，並希望能夠在白宮去年7月推出的「國家戰略計算計劃」中獲得聯邦的資金支持。

這項議程是於去年9月提出的，其中包含5份報告，報告中描述了未來可能會面臨的研究難題：

• 首當其衝的就是能效問題——特別是對於由嵌入式智能傳感器組成的「物聯網」，未來將需要在沒有電池的情況下，將周圍環境中的熱能和動能轉化為電力；

• 另一個問題就是可連接性——未來，數十億台設備間進行通信和雲計算所需要的帶寬是難以想像的，而目前可以預見的一種解決方案就是利用現今尚無法企及的紅外光譜深處的太赫茲波段；

• 第三個至關重要的問題就是安全性——未來我們將需要構建更為牢固的安全機制來防範網絡攻擊和數據盜竊。
  
  

即使只是上文中列出的這三點就已經夠研究人員忙上幾年了。

不過，還是有一部分業內人士對此表示樂觀態度。

其中就包括在Intel從事先進微處理器研究的主管Shekhar Borkar：

「雖然從字面意思上來看，電晶體數量的指數增長的確已經無以為繼，摩爾定律的時代即將終結。

但從消費者的角度來看，其實摩爾定律只是在說晶片對於用戶的價值每兩年就會翻一番。

而從這一角度來看，只要行業內能夠繼續向設備增加新的功能，摩爾定律就不會死亡。

」

此外，Borkar還表示，具體的實施方案已經出爐。

「我們的任務就是把這些方案化為現實。

」

【編者按】本文編譯自nature