摩爾定律時代即將落幕

編者按：晶片業喊「狼來了」已經有將近20年了，但摩爾定律似乎每一次都能化險為夷，維持存在。

但是這次不一樣了，隨著產業在技術、經濟層面摸到的天花板越來越多，自1960年代以來為信息革命提供動力的字面意義上摩爾定律可能下個月就要正式終結了。

不過，從摩爾定律所反映的價值來看，摩爾定律並沒有死，只是換了一個化身而已。

來自自然雜誌的這篇文章回顧了摩爾定律的光輝歷史，並總結了讓摩爾定律重生的未來路線。

對於正在致力打造半導體超級大國的中國來說，這篇文章值得好好思考一下我們的努力方向。

半導體業很快就會放棄追求摩爾定律的努力，不過現在事情可以變得更加有趣。

下個月，全球半導體業將正式承認一個對於牽涉其中所有人來說已經變得越來越明顯的事實：自1960年代以來為信息革命提供動力的摩爾定律已接近終結。

作為統治計算的一個概測法則，摩爾定律指出，微處理器晶片上的電晶體數量大概每兩年左右就會翻番—通常這意味著晶片的性能也會有相應提升。

該定律描述的指數式改進將1970年代第一代做工粗糙的家庭計算機變成了1980年代和1990年代的精緻機器，高速網際網路、智慧型手機以及聯網汽車、冰箱和恆溫器也因此崛起並變成今日的無所不在。

不過所有這些都不是必然的：那是因為晶片製造商處心積慮地選擇了維持摩爾定律的軌跡。

每一階段軟體開發者都會推出榨乾現有晶片能力的應用，讓消費者呼喚更多的設備，然後製造商爭先恐後地用下一代晶片來滿足這種需求。

實際上自1990年代以來，半導體行業每2年就會發布一份研究路線圖來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—這種策略有時候被戲稱為More Moore（更多的摩爾）。

計算機的發展遵循該定律的指數式增長很大程度上要得益於這份路線圖。

但這種情況持續不了多久了。

由於越來越多的矽電路擠到同樣大小的一小塊區域，不可避免的發熱問題使得摩爾定律的翻番速度已成強弩之末。

而且到10年之內摩爾定律還將觸碰到更多的天花板，那些局限性甚至是更根本性的。

目前頂級的微處理器的矽電路器件特徵尺寸大概是14納米，這已經比大多數病毒還要小了。

不過到了2020年代初時，制定摩爾定律路線圖組織的主席Paolo Gargini說，「哪怕是採取極具攻擊性的做法，我們也將達到2-3納米的限制那時候特徵尺寸僅有10個原子大小了。

這還算是設備嗎？」也許不能算了—因為小到這種規模的情況下，電子行為戶受到量子不確定性的控制，這會導致電晶體的不可靠，甚至不可靠到了令人絕望的地步。

儘管進行鍥而不捨的研究，但今日的矽晶技術尚無明顯的成功者。

下月發布的路線圖推出的將是第一份不以摩爾定律為中心的研發計劃。

相反，它遵循的將是所謂的More than Moore（超越摩爾）戰略：它的目標不是造出更好的晶片然後讓應用跟進，而是反過來，從應用開始—從智慧型手機和超級計算機一級雲端數據中心開始一路向下，看看需要什麼樣的晶片來支持。

這些晶片當中會有新一代的傳感器、電源管理電路，以及其他一些計算日益移動化的世界所需的矽設備。

版圖的變動反過來也會瓦解該行業一直追求摩爾定律的長期傳統。

「每個人都在質疑這份路線圖的實際意義，」愛荷華大學的計算機科學家Daniel Reed如是說。

代表美國主要相關機構的半導體工業協會（SIA）已經表示，一旦報告發布後將停止參與路線圖的制定，並轉向自己的研發日程。

不過大家都同意摩爾定律的日薄西山並不意味著進展的停滯。

「我們可以看看飛機業發生的事，」Reed說：「波音787並沒有比1950年代的7071飛得更快—但二者卻是非常不同的飛機，」其中已經進行了大量創新，從全電控到碳纖維機身，不一而足。

計算機的情況也會這樣，他說：「創新絕對還會繼續—但這種創新會更細微更複雜。

」

放棄定律

1965年的那篇令戈登·摩爾揚名天下的文章以思考當時尚屬新技術的集成電路能做些什麼為開頭。

摩爾當時是仙童半導體公司的研究總監，他當時就預測到了家庭計算機、數字腕錶、自動汽車以及「個人可攜式通信設備」—移動手機等東西的出現。

那篇文章的中心正是摩爾對這種未來提供一份時間表的努力。

他把實現計算數字化的開關裝置—電晶體作為衡量微處理器計算能力的指標。

在所在公司和其他公司前幾年取得成就的基礎上，他估算出每塊晶片上的電晶體和其他一些電子器件的數量每年將會翻1番。

後來與人聯合創辦了英特爾的摩爾低估了翻番所需的時間，1975年，他把這一時間修正為更加現實的2年。

但是他的願景是完全正確的。

1970、1980年代，隨著惠普手持計算器、蘋果Apple II以及UBM PC等配置了微處理器消費者產品的出現，他所預測的未來變成了現實。

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來滿足這種需求。

這種代價是高昂的。

改進微處理器的性能意味著要按比例縮小電路元素的尺寸以便在晶片上封裝更多的電路，並且讓電子的轉移更加快速。

但縮小尺寸需要對光刻術（一項將微元素蝕刻到矽表面上的基本技術）進行重大改進。

但是在晶片業繁榮時期這基本不算什麼難事：一個自我強化的周期開始了。

鑒於晶片的通用性如此之強，以至於製造商只需製造幾種類型—主要是處理器和內存，就能夠大量賣出去。

這讓廠商獲得了足夠的資金，在彌補升級生產設備的成本的同時還能降低價格，從而又進一步刺激了需求的增長。

不過這種市場驅動的周期很快被證明難以維繫摩爾定律無情的節律。

晶片製造過程太過複雜，由於牽涉到數百道流程，也就意味著每縮小一次規模都需要一系列的材料供應商和設備製造商在合適的時間實現適當的升級。

「如果你需要40種設備但只有39種就緒，那一切也都要停下來，」德州大學奧斯汀分校研究計算機產業的經濟學家Kenneth Flamm說。

為了進行產業協調，半導體業開始制定第一份路線圖。

Gargini說他們的設想是讓「大家對自己要做什麼都有一個粗略的估計，並且在看到前面有路障時發出警報。

」1991年美國半導體工業開始了第一份路線圖繪製的努力，來自各家公司的數百位工程師一起擬定了第一份報告及後續疊代，由當時是英特爾技術戰略總監的Gargini擔任主席。

1998年這項工作變成了國際半導體技術發展藍圖，歐洲、日本、台灣及韓國等地的行業協會也開始參與進來（今年的報告將更換新名稱，叫做設備與系統國際路線圖，International Roadmap for Devices and System）。

Flamm說：「這份路線圖是一項非常有趣的實驗。

據我所知，像這樣把每一家製造商、供應商凝聚在一起，指導未來要做什麼事情的，任何其他行業都沒有過這種的先例。

」從效果來看，它把摩爾定律從一項經驗觀測轉變成了自我實現的預言：新的晶片之所以遵循該定律是因為行業的努力確保了晶片如此。

一切都工作得非常好，直到有一天再也做不到。

高溫死亡

第一快絆腳石並不算出乎意料。

Gargini等人早在1989年就提出過警告，但大家還是撞了個結結實實—東西太小了。

「過去往往是只要我們把特徵尺寸做得更小以後，好事情就會自動發生,」 Third Millennium Test Solutions總裁Bill Bottoms說：「晶片會跑的更快，功耗更低。

」

不過到了2000年代初期，當特徵尺寸縮小到90納米以下時，這種自動的神奇魔力開始失效了。

隨著電子在尺寸越來越小的矽電路跑得越來越快，晶片開始變得過熱。

這個問題是根本性的。

熱量是很難幹掉的，燙手的手機沒人想要。

所以製造商唯有抓住手上唯一的救命稻草，Gargini說。

首先，他們停止了提高「時鐘頻率」（超頻，指提高微處理器執行指令的速率）的努力。

這麼做可以有效地對晶片電子的運行速度加以限制，同時也就限制了其發熱的能力。

自2004年以來最大時鐘頻率就一直沒變過了。

其次，為了確保晶片性能在有速度限制的情況下仍遵循摩爾定律，他們重新設計了內部電路，這樣單塊晶片不再只包含一個處理器，或者說「內核」，而是2個、4個甚至更多（在當今的計算機和智慧型手機中，4核或者8核都是很常見的）。

Gargini說，從原則上來說，「用4塊主頻250MHZ的內核可以得到跟一塊主頻1GHZ的內核同樣的輸出」。

不過在實際應用時，要想利用上8個內核處理器意味著要把問題分解為8小塊—這對於許多算法來說難度太大甚至是不可能的。

「無法並行化的部分會限制你的改進，」 Gargini說。

即便如此，在結合了富有創意的重新設計來彌補電子泄露等效應後，這兩個解決方案讓晶片製造商得以繼續縮小電路尺寸，設法讓電晶體數量跟上摩爾定律的曲線軌跡。

現在的問題是到了2020年代初期，當尺寸縮小因為量子效應而難以為繼時會發生什麼事情。

接下來又該怎麼辦？國際晶片製造商GlobalFoundries的電子工程師，同時是新路線圖的編制委員會主席的An Chen 說：「我們還在努力。

」。

還在努力的原因並不是由於缺少創意。

他們想到的可能解決方案之一是擁抱一種全新的範式—比如像量子計算，這種計算模型有望為特定計算類型帶來指數性的速度增長；或者神經形態計算，其目標是對大腦神經元的處理要素建模。

但是這些替代性計算模型尚未真正走出實驗室。

而且許多研究人員認為量子計算只是在少量利基應用中體現出優勢，而不是數字計算所擅長的日常任務。

「」勞倫斯伯克利國家實驗室計算機科學研究的負責人John Shalf在思考的問題是：「對於支票本來說，量子平衡究竟意味著什麼呢？」

材料差異

還有一種辦法的確仍堅守在數字化的陣地，這種辦法的目標是要找一種「毫伏開關」：要找到一種能夠運用到設備上的材料，這種材料在速度上至少要能夠跟它的矽同行匹敵，但同時發熱卻少很多。

候選的材料倒不少，從2D類石墨烯複合物到自旋電子材料都能夠通過電子自旋而不是電子移動來完成計算。

「一旦邁出已有技術的範疇，外面就是一片待研究開發的廣闊天地，」半導體研究公司（SRC）負責納電子學研究行動的物理學家Thomas Theis說。

不幸的是，目前同樣也還沒有任何毫伏開關走出實驗室。

所以有人又提出了架構化的改進辦法：還是用矽，但是採用全新的配置方式。

熱門的方案之一是3D化。

摒棄過去在矽片表明蝕刻電路蓋平房的做法，轉而起摩天大樓：把許多蝕刻上微電路的矽薄層堆疊起來。

原則容顏，這種做法應該能夠在同樣的空間內集中更多的計算資源。

但實際上這種做法目前只對沒有發熱問題的內存晶片有效：它們採用的電路只是在存儲單元被訪問到時才會耗電，而某個存儲單元被訪問到並不是經常的事情。

混合存儲立方體設計就是這種做法的案例之一，這種內存堆疊了多至8層內存，目前由三星和美光技術組成產業財團正在推動這種方案。

但是微處理器面臨的挑戰更多：一層層的堆疊發熱的東西只會讓它們更熱。

不過有個辦法可以繞開這一問題，那就是廢棄內存和處理器分開的做法，這可以有效緩解發熱—至少可以減少50%，因為機器發熱量的50%正是由於處理器和內存之間數據的來回交換而引起的。

把內存和處理器集成到納米級的高樓大廈內就可以幹掉這部分發熱了。

但是這種辦法實現起來是相當棘手的，尤其是在當代的微處理器和內存晶片差異很大的情況下，這兩樣東西很難在同一條生產線上裝配出來；而把它們堆疊起來又需要對晶片架構進行徹底的重新設計。

不過若干研究團體還是希望能夠實現這種辦法。

史丹福大學的電子工程師Subhasish Mitra和他的同事已經開發出了一種混合架構，這種架構能夠將內存單元和由碳納米管製成的電晶體堆疊起來，後者還負責電流在不同層之間的流動。

該小組認為這種架構能夠把電耗降低到標準晶片的千分之一以下。

移動化

摩爾定律的另一塊絆腳石略為出乎意外，但遭遇到這塊絆腳石的時間跟第一塊大抵相同，這塊絆腳石是：計算的移動化。

25年前，計算是由桌面計算機和筆記本的需求來定義的；超級計算機和數據中心採用的基本上是跟它們一樣的微處理器，只是打包到一起的數量要多得多。

但現在不是這樣了。

今天的計算越來越多的是由高端智慧型手機和平板電腦說了算，以及日漸興起的智能手錶等可穿戴設備，乃至於從冰箱到人體監測等眾多數量呈爆發之勢的智能設備。

這些移動設備的需求跟他們那些久坐不動的表親的是很不一樣的。

維繫摩爾定律這項任務智能排在他們任務清單很後面的位置—尤其是在移動應用和數據的處理負荷基本上已經轉移到全球的伺服器群網絡（也即所謂的雲）上的情況下。

那些伺服器群現在統治著的確仍遵循摩爾定律的強大的、先進的微處理器的市場。

「Google和Amazon的購買決定對英特爾決定做什麼具有巨大影響，」Reed說。

對於移動來說，能保證移動設備與環境和用戶交互的電池續航時間要關鍵得多。

典型智慧型手機裡面的晶片在進行語音通話、使用Wi-fi、藍牙以及GPS時都必須收發信號，與此同時還要感應觸摸、距離、加速、磁場，甚至還包括指紋。

在此之上，設備必須有一個套專門的電路負責電能管理，一面那些功能耗光電池儲能。

對於晶片製造商來說，這種問題的特殊性正在挖掘出一個與維繫摩爾定律運轉類似的自我強化的經濟周期。

「過去的市場是做出來的東西類型很少，但是賣出去的數量很多，」Reed說：「而新市場是你得做很多東西，但每樣只能賣一點—所以設計和組裝最好還是要保證成本低廉。

」

這些都是持續的挑戰。

把獨立的製造技術糅合到一起，讓它們在一個設備上和平共處往往是場噩夢，Bottom說，他在新路線圖委員會中負責的正是這個專題：「不同的部件，不同的材料、電子、光電等統統打包在一起—這些問題都必須考新額架構、新的仿真、新的開關等來解決。

」

對於許多專門電路來說，設計仍然處於手工作坊時代—這意味著時間久成本高。

加州大學伯克利分校的電子工程師Alberto Sangiovanni-Vincentelli和他的同事正試圖改變這一點：他們不再打算每次都從頭做起，認為大家應該可以通過組合現有電路的一大塊也即所謂的功能化來創造出新設備。

「這就好比搭樂高積木塊一樣，」 Sangiovanni-Vincentelli說。

確保積木能協同工作是個挑戰，不過「如果你採用的是老一點的設計方法，成本是不會太高的。

」

毫無疑問，成本是晶片製造商最近很關心的問題。

「摩爾定律的終結不是技術問題，而是經濟問題，」Bottom說。

一些公司，尤其是英特爾，在碰到量子效應的天花板之前仍然打算繼續縮小元件尺寸，他說。

但是「尺寸縮得越小，成本就越高。

」

每把尺寸減少一半，製造商都需要有全新一代的更精確的光刻機器。

現在建造一條新的生產線往往需要數十億美元的投資—這麼多的錢只有少數公司能付得起（註：還要加上中國的傾國之力）。

但是移動設備引發的市場碎片化導致投資回收更加困難。

「只要下一個晶片的每電晶體成本超過現有成本，」Bottom說：「瘦身就會停止。

」

許多觀察者認為該產業目前已經非常接近那個點了。

「我敢打賭，我們會在到達物理極限前就先把錢給花光了，」Reed說。

的確，過去10年成本的不斷攀升已經導致了晶片業的大規模合併。

現在全球大多數的生產線已經集中在英特爾、三星、台積電等少數幾家企業手上。

這些製造巨頭跟材料和生產設備供應商關係緊密，他們早已協調一致，路線圖對他們來說不再像過去那樣有用了。

「晶片製造商的重視程度絕對比以前低了，」Vhen說。

就拿擔任美國產業研究中介的SRC來說吧，SRC曾是路線圖的長期支持者之一，SRC的副總裁Steven Hillenius說：「但大概3年前，SRC就不再提交貢獻了，因為成員公司看不出這麼做有什麼價值。

」SRC，以及SIA希望推進一項更加長期、更加基礎的研究議程，並希望能獲得聯邦資金（可能是白宮去年7月推出國家戰略計算行動計劃）的支持。

去年9月，這項議程推出了5份報告，描繪了未來面臨的研究挑戰。

其中能效問題尤其緊迫—特別是物聯網所包含的嵌入式智能傳感器的能效問題，這需要在沒有電池的情況下利用新技術來解決設備存活問題，比如利用環境熱能和振動來收集能量。

連接性同樣重要：數十億漫遊設備相互之間以及與雲之間的通信覆蓋的無線頻譜範圍將達到一度不可企及的太赫（TeraHertz）級。

安全也至關重要—該報告呼籲研究出新的辦法來防範未來攻擊和數據盜竊。

諸如此類的優先事項夠研究人員未來幾年忙的了。

不過至少有一部分的圈內人士對此表示樂觀，英特爾負責先進微處理器研究的Shekhar Borkar就是其中之一。

是，他說，就字面意義而言，摩爾定律即將要終結了，因為電晶體數量的指數增長已經無法繼續。

但從消費者的角度來說，「摩爾定律說的僅僅是用戶價值每兩年就會翻番。

」所以這條定律還會以這種形式繼續維持下去，只要產業界能夠不斷往設備填充新功能的話。

想法已經有了，Borkar說：「我們的任務是實現。

」