深度 摩爾定律走向黃昏 計算領域出路何在?

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50年來,摩爾定律一直引領信息技術向前發展。

不過今年2月,全球半導體行業協會宣布,今後發布的行業研究規劃藍圖中將不再以摩爾定律為核心,而將採用新的「超越摩爾」(More than Moore)藍圖;3月,英特爾也宣布從下一代10nm製程處理器開始,將「Tick-Tock」(製程-架構)模式改為「PAO」(製程-架構-優化)模式。

這意味著摩爾定律對行業的影響在不斷減弱,甚至已經被打破。

對此,我們不禁想問:摩爾定律走向黃昏後,未來計算領域又將如何發展?

綜合 宋偉

摩爾定律驅動行業發展

摩爾定律一直被認為是計算機行業最重要的定律之一,它指的是一個預言:每兩年微處理器的電晶體數量都將增加一倍—意味著晶片的處理能力也加倍。

該定律最早是由英特爾公司的聯合創始人戈登·摩爾於1965年提出的。

當時,摩爾在《電子學》雜誌上發表了一篇名為《讓集成電路填滿更多的組件》的論文,這篇論文的核心是關於未來計算機行業發展的時間表,摩爾預計每年每顆晶片的電晶體和其他電子元件的數量都將增加一倍。

不過,他顯然高估了晶片更新換代的速度。

1975年,他在電氣和電子工程師協會的學術年會上提交論文再次預言稱,矽晶片上的電晶體數目將每兩年增加一倍。

當摩爾提出這一定律時,集成電路剛剛問世6年,他所在的實驗室也只能將50個電晶體和電阻集成在一個晶片上。

不過,隨著惠普個人電腦、Apple II計算機、IBM PC等個人消費產品的誕生,摩爾所預測的未來變成了現實。

人們對此類產品的需求很快開始爆發,而製造商則爭相開發出尺寸越來越小、能力越來越強的晶片以滿足這種需求。

在後來的幾十年里,摩爾定律儼然成為了晶片技術發展的指路明燈,通過縮小晶片上元件的尺寸,晶片行業的發展一直遵循著摩爾定律,晶片製造商們也處心積慮地選擇維持摩爾定律的軌跡(半導體行業每2年就會發布一份研究路線圖,以協調成百上千的製造商和供應商的步調與摩爾定律保持一致。

)甚至,英特爾公司還提出了自家的「Tick-Tock」處理器發展模式。

「Tick-Tock」原意是指時鐘走過一秒鐘發出的「滴答」聲響,而作為英特爾的處理器發展模式,英特爾每隔兩年就會對處理器架構進行一次升級,即「Tick年」實現製造工藝進步,而「Tock年」則實現架構的更新。

2005年英特爾開始推廣65nm製程,而2006年的新架構則與新製程雙劍合璧—「英特爾酷睿處理器」—便是「Tick-Tock」戰略交出的第一張答卷,成就了扭轉晶片市場趨勢的最佳硬體。

1971~2011年桌上型電腦處理器性能擬合摩爾定律(圖片來自維基百科)

如今,從某些方面講,摩爾定律已經遠遠超出了英特爾公司的範疇。

它逐漸成了人為預測行業發展趨勢的定律,它對整個科技行業的發展起到了重要的推動作用。

如今,人們日常使用的很多設備(比如手機、手錶等)都搭載了由電晶體構成的微處理器。

得益於摩爾定律,這些設備的成本得以顯著降低,在性能和能效方面卻實現了飛速提升,為人類帶來了極大便利。

也正如著名高速存儲器生產開發商蘭巴斯公司的首席科學家Craig Hampel所言:「摩爾定律是整個資訊時代的驅動力,沒有摩爾定律就沒有如今廉價的處理器,而矽谷99%的公司也就不會存在。

」摩爾定律帶來的影響無處不在,由它開啟的創新精神繼續改變著技術行業和整個世界:無數的行業被數字化顛覆了,充足的計算能力甚至放緩了核彈測試,因為原子武器的模擬爆炸測試要比真實測試方便得多。

遭遇物理瓶頸,摩爾定律走向黃昏

儘管摩爾定律在過去的幾十年來對科技行業的發展起到了重要的推動作用,但如今英特爾已經調整了其產品戰略,而全球半導體行業協會在今後發布的行業研究規劃藍圖也不再以摩爾定律為核心,摩爾定律似乎正逐步走向黃昏。

從半導體行業來說,這種情況的出現是不可避免的。

首先,摩爾定律要求矽晶片上的電晶體數目每兩年增加一倍,物理角度上,以矽為原材料的晶片製造工藝目前已經達到瓶頸階段,要達到摩爾定律的要求越來越困難。

目前市面上最先進的晶片是由英特爾的14納米工藝所製作而成的,在14納米的大小之下,晶片中的線寬精度甚至比普通的病毒粒子還要小。

儘管下一次的技術進步將把我們帶到10納米甚至7納米時代,但隨著晶片製作工藝的提高,以現有的材料和技術水平很難在更小的尺寸上布局元件,而且在更小的尺度下,一些器件不能簡單地以半導體元件的物理知識進行分析。

也就是說,即使我們有能力把晶片做到這麼小,但它們不一定能正常工作。

這樣一來整個晶片的設計就會變得更為複雜,項目驗證時間也會拉長。

近年來,晶片製造工藝在不斷提高,但越接近物理極限,所面臨的困難也越大。

其次,處理器的發熱問題一直是晶片廠商亟待解決的問題之一。

晶片行業發展之初,製造工藝不斷進步的同時也提供了更多的電晶體布局和更少的能耗。

但當處理器的製造工藝達到一定程度時,矽電路里的電子移動速度越來越快,於是處理器運行時產生了越來越多難以消除的熱量。

雖然包括英特爾在內的諸多晶片製造商都在不斷努力解決處理器散熱的問題,比如不再追求絕對的頻率,給晶片的電子運行速度加上上限,或者重新設計晶片內部電路,使每個晶片擁有兩個、四個甚至更多內核。

但這樣的處理方式使得很多應用程式無法完全利用到處理器全部的核心,這就造成了性能的不對等。

行業和廠商策略偏離摩爾定律的另一個重要原因是計算設備走向移動化為晶片製造商帶來了新的挑戰。

以前,計算機的概念只包括桌上型電腦和筆記本電腦,而超級電腦和數據中心的處理器也只是功能更多了些。

但是現在,計算機的概念早已進行了延伸,手機、平板電腦、智能手錶和其他可穿戴設備等都是新的計算設備,而這些新式計算設備對處理器的需求與其前輩電腦差別非常大。

以手機為例,語音通話、Wi-Fi連接、藍牙、GPS甚至指紋識別都要耗電,但普通手機的電池容量都比較小,那麼電池的續航能力自然尤為重要,這就要求手機內置的晶片通過特殊的電路來管理電源和能耗。

對晶片製造商而言,原來製造PC上的晶片只需要參照摩爾定律提升性能就行,到了現在,由於智慧型手機、智能手錶等設備對於性能的要求不再是第一位的,那麼晶片製造商就需要多維度地設計、製造晶片,把能耗控制放在更重要的位置,而不是遵循摩爾定律單純地追求性能的提升。

計算領域出路何在?

現在看來,儘管摩爾定律漸入黃昏,但這並不意味著計算領域進步的終結。

正如愛荷華州大學的計算機科學家丹尼爾·里德所說:「現在的波音787並不比上世紀50年代的波音707快多少,但是它們仍然是非常不同的兩種飛機。

它們之中進行了大量創新,從全電控到碳纖維機身,不一而足。

計算機的情況也會這樣,創新絕對會繼續下去,但會更細緻和複雜。

「Tick-Tock」戰略作為摩爾定律的子集,一直在英特爾的產品規劃中扮演著極其重要的角色。

從晶片行業層面來說,全球半導體行業協會已經宣布,今後發布的行業研究規劃藍圖中將採用新的「超越摩爾」(More than Moore)藍圖。

據悉,新的路線圖不再專注於晶片內部技術,而是要更加注重行業內的資源整合,「超越摩爾」藍圖將會更關注如何將元器件集成在一起,整合不同製造工藝、處理不同原材料需要新的處理和支持技術。

憑藉著行業內新藍圖的指導,晶片製造商們有望減少由「計算設備走向移動化」帶來的壓力。

放眼計算領域的未來,業內普遍認為計算領域將會因其他三個方向的發展而被重新定義。

計算機軟體新時代

如前文所說,通過縮小晶片上元件的尺寸,晶片行業的發展一直遵循著摩爾定律,而快速更迭的晶片也為也為計算機設備帶來了更強的性能,並且在摩爾定律的影響下,幾乎過不了多久就會有更強大的設備出現。

計算機設備的快速更迭和性能的不斷提升對硬體行業來說是一件好事,但對於軟體行業來說,這卻帶來了不少消極的影響。

眾所周知,軟體的開發與調試需要與硬體設備緊密結合,當軟體完全挖掘硬體的性能之後,才能為用戶帶來優秀的體驗。

但由於計算機硬體設備的更新速度太快,性能越來越強,很多軟體都沒有跟上這種腳步,比如英特爾在1996年推出MMX指令集以提高處理器對多媒體數據的處理能力,3年後才推出新的SSE指令集,2011年才推出SSE2技術進一步擴展指令集。

如今,行業的廠商都逐漸偏離摩爾定律,這意味著以後計算機設備的更新速度會變慢,當硬體的進步放緩後,我們或許會將目光轉移到軟體和算法層面。

這種轉變對計算領域的未來而言並不是毫無效果。

以前段時間引起轟動的谷歌人工智慧程序AlphaGo大戰李世石九段為例,實際上,基於圍棋的複雜性,AlphaGo不是單純地依靠個體晶片的計算性能提升來取勝,而是一定程度上依照人類大腦的運作方式的「深度學習」技術,把每一顆晶片看作是神經元,提升了效率,從而贏了李世石。

未來,隨著人們更多的關注軟體,相信更多的資金和技術會被用在軟體上,而有了資源的投入,我們將迎來更高效的程式語言、編譯系統和應用設計,軟體行業會真正迎來成熟時期,計算領域也會因軟體的發展而被重新定義。

轉移雲端

雲計算是繼1980年代大型計算機到客戶端再到伺服器的大轉變之後的又一種巨變,在摩爾定律即將失效,計算機性能不容易繼續突破時,轉型雲計算似乎是可行的辦法之一。

當計算機還是一台獨立的設備時,不論是大型的超級計算機還是桌面級個人電腦,它們的性能表現都取決於處理器晶片的速度。

在如今這種大數據、萬物互聯的趨勢下,單台性能足夠優秀的計算機(特別是晶片製造遭遇物理瓶頸時)早已滿足不了社會對計算性能的巨大需求。

而藉助於雲計算,這些問題迎刃而解。

通常來說,雲計算是將計算分布在大量的分布式計算機上,而非本地計算機或遠程伺服器中,數據中心只是資源池,這使得服務商能通過虛擬化技術將不同伺服器的資源切換提供給用戶所需要的應用,根據需求供給計算能力。

簡單來說,雲計算類似於將發電機模式從古老的單台發電機模式轉向電廠集中供電的模式。

它的計算能力可以作為一種商品通過網際網路流通,像水電一樣取用方便。

雲計算不僅可以使使用者按需獲得更強性能,它還能使計算機通過使用「雲」端廣闊而又靈活的數字計算資源來做許多事,比如搜索出一條旅行計劃並計算出最佳線路,這是哪顆處理器來計算的呢?其實並不需要用戶知道。

如今,雲計算已經非常熱門。

當然,晶片製造商也很高興,他們只需將用戶分成兩部分即可:一方面是普通的消費者,他們正使用越來越多的移動設備,他們依然需要為需求和應用設計的高效節能晶片;另一方面是雲計算的提供商,如亞馬遜、Google、微軟等,他們則需要更強性能,更好穩定性的晶片以提供雲端服務。

硬體技術的突破

說到底,摩爾定律始終與硬體相關,無論是軟體還是雲計算,它們都像是未來計算領域發展的輔助手段。

如今傳統的晶片設計方案已經到達了瓶頸,若要繼續發展,還是要從硬體本身入手。

而在硬體技術的革新上,目前業內普遍認為可以從改變晶片設計、找到矽材料的替代品、變革計算機框架三個方面開始。

據悉,目前全球半導體行業的將執行新的策略:從應用出發,考慮手機、電腦以及各種數據中心的需求,然後向底層延伸,最終確定需要什麼樣的晶片來滿足這些需求。

當然,在改變晶片設計方面,以英特爾、AMD、三星為代表晶片製造商都在努力,例如三星曾表示,它將使用周圍柵極(Gate-All-Around)的電晶體來製造5納米晶片。

晶片製造商們也在用矽以外的材料進行試驗,試圖找到可以替代矽的新材料。

去年,一個包括三星、Gobal Foundries、IBM和紐約州立大學的研究聯盟公布了一顆7納米的微晶片,它使用了和上一代發布的FinFET相同的設計。

英特爾此前已宣布,在達到7納米工藝之後,將不再使用矽材料。

與矽相比,銻化銦、銦鎵砷化合物、碳納米管、石墨烯等材料都有著不錯的前景,這些材料能帶來更快的開關速度,功耗也較低。

另一種提高計算性能的方法是使用像「量子計算」這樣的技術變革計算機框架,Google D-Wave量子計算機在處理某些特定問題時比普通計算機快一億倍。

此外,另一種「出路」是使用類似「量子計算」、「神經計算」等技術徹底變革計算機框架。

目前的研究表明,這種技術有望加速某些特定問題的計算速度。

去年底,Google量子人工智慧實驗室已證明:他們的D-Wave量子計算機處理某些特定問題,比普通計算機快一億倍。

寫在最後

在摩爾定律正值「壯年」時,計算機設備以可預測的方式和速度升級更迭。

隨著摩爾定律走向黃昏,計算機行業將變得更加複雜,受到的局限也會增多。

不過,脫離了摩爾定律的束縛也不完全是件壞事。

由於摩爾定律的存在,硬體廠商和晶片製造商們往往會或多或少地根據摩爾定律制定各自的產品發展規劃,儘管有的產品確實獲得了飛速的進步,但也有另一部分產品本可以發展得更迅速,卻為了遵循摩爾定律保持和其他廠商同步,故意放慢了前進的腳步。

當不再遵循摩爾定律後,廠商們為了謀求更好的發展,必然會採取更加激進的產品策略,生產出更具創造力的產品。

軟體行業也是如此,為了追求極致的效率,程式設計師們可以依靠本應在未來幾年才能夠出現的硬體平台,編寫更加契合硬體性能的應用程式,為用戶帶來更好的體驗。

50多年來,越來越小的電晶體的尺寸帶來了更便宜、更高效的計算機,隨著摩爾定律逐漸退出歷史舞台,這個過程將逐漸慢下來。

但是,相信在未來,計算機和其他設備還會繼續以多樣化的方式變得更加強大,計算領域並不會因摩爾定律漸入黃昏而失去火力。


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