摩爾定律正式失效，半導體行業(yè)何去何從？
發(fā)布時(shí)間：2016/2/17 點(diǎn)擊數：6172
騰訊科技訊 2月16日消息，下個(gè)月，全球半導體行業(yè)將正式認可一個(gè)已經(jīng)被討論許久的問(wèn)題：從上世紀60年代以來(lái)一直在推動(dòng)IT行業(yè)發(fā)展的摩爾定律正在走向終結。正式拋棄摩爾定律的半導體行業(yè)將何去何從？《自然》雜志近日發(fā)表文章對此進(jìn)行了探討。
以下為文章主要內容編譯：
摩爾定律可以說(shuō)是整個(gè)計算機行業(yè)最重要的定律，它其實(shí)是一個(gè)預言：每?jì)赡晡⑻幚砥鞯木w管數量都將加倍——意味著(zhù)芯片的處理能力也加倍。這種指數級的增長(cháng)，促使上世紀70年代的大型家庭計算機轉化成80、90年代更先進(jìn)的機器，然后又孕育出了高速度的互聯(lián)網(wǎng)、智能手機和現在的車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能冰箱和自動(dòng)調溫器等。
這個(gè)看起來(lái)自然而然的進(jìn)程，實(shí)際很大程度也是人類(lèi)有意控制的結果，芯片制造商有意按照摩爾定律預測的軌跡發(fā)展：軟件開(kāi)發(fā)商新的軟件產(chǎn)品日益挑戰現有設備的芯片處理能力，消費者需要更新為配置更高的設備，設備制造商趕忙去生產(chǎn)可以滿(mǎn)足處理要求的下一代芯片。上世紀90年代以來(lái)，半導體行業(yè)每?jì)赡昃蜁?huì )發(fā)布一份行業(yè)研發(fā)規劃藍圖，協(xié)調成百上千家芯片制造商、供應商跟著(zhù)摩爾定律走，這樣的戰略，有時(shí)也被稱(chēng)之為“更多摩爾”（More Moore），由于這份規劃藍圖的存在，整個(gè)計算機行業(yè)才跟著(zhù)摩爾定律按部就班地發(fā)展。
但現在，這種發(fā)展軌跡要告一段落了。由于同樣小的空間里集成越來(lái)越多的硅電路，產(chǎn)生的熱量也越來(lái)越大，這種原本兩年處理能力加倍的速度已經(jīng)慢慢下滑。此外，還有更多更大的問(wèn)題也慢慢顯現，如今頂級的芯片制造商的電路精度已經(jīng)達到14納米，比大多數病毒還要小。但是，全球半導體行業(yè)研發(fā)規劃藍圖協(xié)會(huì )主席保羅·加爾吉尼（ Paolo Gargini）表示：“到2020年，以最快的發(fā)展速度來(lái)看，我們的芯片線(xiàn)路可以達到2-3納米級別，然而在這個(gè)級別上只能容納10個(gè)原子，這樣的設備，還能叫做一個(gè)‘設備’嗎？”
恐怕不能。到了那樣的級別，電子的行為將受限于量子的不確定性，晶體管將變得不可靠。在這樣的前景下，盡管這方面已經(jīng)有無(wú)數研究，但目前人們仍然無(wú)法找到可以替代如今的硅片技術(shù)的新的材料或技術(shù)。
下個(gè)月發(fā)布的行業(yè)研究規劃藍圖將史無(wú)前例地不以摩爾定律為中心，相反，新的戰略可能是“超越摩爾”（More than Moore ）：與以往首先改善芯片、軟件隨后跟上的發(fā)展趨勢不同，以后半導體行業(yè)的發(fā)展將首先看軟件——從手機到超級電腦再到云端的數據中心——然后反過(guò)來(lái)看要支持軟件和應用的運行需要什么處理能力的芯片來(lái)支持，由于新的計算設備變得越來(lái)越移動(dòng)化，新的芯片中，可能會(huì )有新的一代的傳感器、電源管理電路和其他的硅設備。
這種局勢的轉變，也改變了半導體行業(yè)圍繞摩爾定律不再團結一致。“大家都不確定新的研究規劃藍圖意味著(zhù)什么，” 愛(ài)荷華大學(xué)計算機科學(xué)家丹尼爾·里德（Daniel Reed）表示。位于華盛頓DC的 半導體行業(yè)協(xié)會(huì )（The Semiconductor Industry Association, SIA）代表所有美國半導體企業(yè)，已經(jīng)表示不再參與全球半導體行業(yè)研究規劃藍圖的章程，而是自行決定研發(fā)進(jìn)度。
盡管摩爾定律已經(jīng)走向黃昏，但這并不意味著(zhù)半導體行業(yè)停止了發(fā)展。丹尼爾·里德將之與飛機制造行業(yè)進(jìn)行比較：“現在的波音787并不比上世紀50年代的波音707快多少——但這兩個(gè)型號的飛機可差太多了，波音787的創(chuàng )新體現在其他地方，比如全電子控制、碳纖維機身等，計算機行業(yè)也是如此，創(chuàng )新將會(huì )繼續，但是會(huì )體現在更細小和更復雜的地方。”
摩爾定律的誕生
在1965年那篇著(zhù)名的論文發(fā)表之前，戈登·摩爾(Gordon Moore) 是位于加州圣何塞的仙童半導體公司的研發(fā)總監，他已經(jīng)預測了家用計算機、電子腕表、自動(dòng)駕駛汽車(chē)以及“個(gè)人可移動(dòng)溝通設備”——手機的誕生，但1965年那篇關(guān)于后來(lái)被稱(chēng)為“摩爾定律”的預測的論文真正使他名聲大噪，這篇論文的核心是關(guān)于未來(lái)計算機行業(yè)發(fā)展的時(shí)間表，基于對仙童以及其他半導體企業(yè)的了解，摩爾預計每年每芯片的晶體管和其他電子元件的數量都將加倍。
摩爾隨后在加州圣塔克拉拉創(chuàng )辦了英特爾，不過(guò)，在上述論文里，他顯然高估了芯片更新?lián)Q代的速度，1975年，他將這個(gè)預測修改到更為現實(shí)的兩年加倍，隨后，上世紀70年代和80年代，隨著(zhù)惠普個(gè)人電腦、Apple II計算機和IBM PC等個(gè)人消費產(chǎn)品的誕生，行業(yè)對芯片的處理能力要求越來(lái)越高，體積要求越來(lái)越小，摩爾的預言開(kāi)始成真。
這樣的發(fā)展是很昂貴的，芯片處理能力的提升意味著(zhù)將更多的電路集成到芯片中來(lái)，從而電子可以從中移動(dòng)地更快，這也對影印石版術(shù)（即將電路等微元件蝕刻到硅表面的技術(shù)）的要求越來(lái)越高。但是，在半導體行業(yè)發(fā)展的鼎盛時(shí)期，這并不是特別大的問(wèn)題，企業(yè)發(fā)展出了一個(gè)可謂“自動(dòng)升級”的循環(huán)流程：通過(guò)大規模制造和銷(xiāo)售少數種類(lèi)的芯片——主要是處理器和存儲芯片——獲得大量收入，然后投錢(qián)去改進(jìn)工廠(chǎng)和設備，結果是在提升芯片性能的同時(shí)仍能降低價(jià)格，因此市場(chǎng)的需求也獲得進(jìn)一步提升。
不過(guò)，很快這個(gè)市場(chǎng)驅動(dòng)的模式也無(wú)法維持摩爾定律的高速度發(fā)展，芯片制造的過(guò)程變得過(guò)于復雜，常常包含幾百個(gè)步驟，產(chǎn)品的升級意味著(zhù)整個(gè)供應商和設備商需要在對的時(shí)間同時(shí)完成升級。“如果你需要40個(gè)家供應商而只有39家的產(chǎn)品有所升級，那么所有的事情都得停下來(lái)。” 德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校研究計算機行業(yè)的經(jīng)濟學(xué)家肯尼思·弗拉姆（ Kenneth Flamm）表示。
為了完成產(chǎn)業(yè)上下游的協(xié)調，全球半導體行業(yè)開(kāi)始制作了第一次的行業(yè)研發(fā)規劃藍圖，目的是“讓所有人都能大致知道他們的進(jìn)度應該到哪，如果在發(fā)展過(guò)程中遇到問(wèn)題也可以警告所有同行，” 保羅·加爾吉尼表示。美國半導體行業(yè)1991年推出了這項藍圖和戰略，時(shí)任英特爾技術(shù)戰略總監的加爾吉尼成為該協(xié)會(huì )主席，1998年，來(lái)自歐洲、日本、臺灣和韓國的半導體行業(yè)協(xié)會(huì )也都紛紛加入，該協(xié)會(huì )變成了國際組織。
“熱死亡”
全球半導體行業(yè)協(xié)會(huì )遇到的第一個(gè)大的問(wèn)題并非突然出現，加爾吉尼在1989年就曾經(jīng)對此進(jìn)行過(guò)警告，然而問(wèn)題來(lái)臨之時(shí)對行業(yè)還是造成了不小的沖擊：芯片變得太小。
“曾經(jīng)只要我們可以將所有的東西都縮小，問(wèn)題就會(huì )自動(dòng)解決，” 加州圣塔克拉拉第三個(gè)千年測試解決方案（Third Millennium Test Solutions）公司的CEO比爾·鮑特姆斯（Bill Bottoms）表示：“芯片會(huì )變得更快，耗能更少。”
但是到了本世紀初，微電路縮小到90納米以下的時(shí)候，上述“自動(dòng)解決”的方式開(kāi)始不再靈光，隨著(zhù)越來(lái)越小的硅電路里的電子移動(dòng)越來(lái)越快，芯片開(kāi)始變得過(guò)熱。
這是一個(gè)很?chē)乐氐膯?wèn)題，處理器運行產(chǎn)生的熱量很難消除，所以，芯片制造商選擇了他們僅有的解決辦法，加爾吉尼說(shuō)，設備商不再追求絕對的計算次數，也就是處理器執行指令的速度。這樣等于給芯片的電子運行速度加了上限，同時(shí)限制了產(chǎn)生的熱量，2004年以來(lái)，這個(gè)運行速度的上限從沒(méi)變過(guò)。
第二，雖然速度無(wú)法再提升，但為了將芯片性能按照摩爾定律進(jìn)行提升，制造商對芯片內部電路重新進(jìn)行了設計，每個(gè)芯片不再僅有一個(gè)處理器（或“內核”），而是兩個(gè)、四個(gè)甚至更多（現在的電腦和手機的芯片很多都是四核或者八核處理器）。總的來(lái)說(shuō)，原本一個(gè)千兆赫的內核現在可以分為四個(gè)250兆赫的內核。不過(guò)，在現實(shí)中，要使用八個(gè)處理器，意味著(zhù)一個(gè)問(wèn)題需要被分成八個(gè)部分，很多算法很難甚至無(wú)法做到這一點(diǎn)，“如果有部分沒(méi)被利用，等于你的處理速度升級還是受到了限制，” 加爾吉尼說(shuō)。
盡管如此，上述兩大措施的結合，還是保證了制造商在發(fā)展進(jìn)度上跟上了摩爾定律，現在的問(wèn)題是，到2020年，當微電路縮小到會(huì )受到量子效應影響的時(shí)候會(huì )發(fā)生什么情況？下一步會(huì )是什么樣子？“我們還沒(méi)有解決方案，”參與制作新的行業(yè)規劃藍圖的一名工程師陳安（音譯）表示。
對此，行業(yè)內并不是沒(méi)有想法，一種可能是去發(fā)展完全新的范式，比如量子計算，或者神經(jīng)形態(tài)計算（neuromorphic computing），前者對于某些計算有潛力達到指數級的提升，后者則是模擬大腦神經(jīng)元的計算和處理方式。但是，這兩種范式目前仍還都存在實(shí)驗室研究階段，而且很多研究人員認為，量子計算只對某些特定領(lǐng)域有優(yōu)勢，而處理日常任務(wù)仍然是電子計算更優(yōu)。“想想吧，用量子計算去記賬是什么概念？” 加州伯克利勞倫斯國家實(shí)驗室的負責人約翰·莎爾福（John Shalf）說(shuō)。
尋找其他材料
如果一定要保留電子計算的范式，也有辦法，那就是尋求一種“毫伏開(kāi)關(guān)”——一種在計算速度上不亞于硅晶片，但發(fā)熱量顯著(zhù)低于硅的材料。可行的方案包括了2D類(lèi)石墨烯復合材料到自旋電子材料（spintronic materials ），后者可以通過(guò)讓電子快速旋轉來(lái)進(jìn)行計算（現在的硅材料是電子發(fā)生移動(dòng)來(lái)計算）。“當你跳出現有的技術(shù)的限制，就會(huì )發(fā)展可供研究開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域非常多。”半導體研究聯(lián)合體（Semiconductor Research Corporation，src）的物理學(xué)家托馬斯·西斯 （Thomas Theis）表示。
然而，這些方案目前也都僅限于實(shí)驗室研究階段，目前行業(yè)里仍未找到可以完全替代硅的材料，于是，不少研究人員開(kāi)始在保留硅材料的前提下想辦法，也就是從架構的角度將硅材料以全新的方式進(jìn)行配置，比如走向3D：既然可以將電路蝕刻到硅平面的表面，為何不試試打造成“摩天大樓”，將表面已經(jīng)蝕刻進(jìn)電路的薄硅片堆積起來(lái)呈立體的形狀？然而，現實(shí)中，這種方式目前只能用于純存儲類(lèi)芯片，因為存儲類(lèi)芯片不存在發(fā)熱過(guò)度的問(wèn)題， 它們的電路只在與存儲單元（ memory cell ）接觸的時(shí)候才產(chǎn)生能耗，而這種接觸發(fā)生的并不多。目前存儲芯片的一些設計就采用了這種方式，比如已經(jīng)被三星、美光科技使用的“混合存儲立方體”（Hybrid Memory Cube，類(lèi)似“夾心餅干” ）設計，就是將多層存儲硅晶片堆起來(lái)。
微處理器要做成3D的難度就大很多，將一層又一層的發(fā)熱物體堆積起來(lái)，只會(huì )讓它們變得更熱，一種解決方案是將存儲和微處理器芯片完全分開(kāi)，至少可以分走50%的熱量（雖然在兩者之間傳遞數據依然會(huì )產(chǎn)生新的熱量），將它們在納米級別上一層一層堆起來(lái)做成3D。
這在現實(shí)中依然很難實(shí)現，因為目前微處理器和存儲芯片的制造流程完全不同，無(wú)法在同一條流水線(xiàn)上進(jìn)行生產(chǎn)，要將它們堆起來(lái)，需要對芯片的結構進(jìn)行全面重新設計。但是，已經(jīng)有不少研究機構正在朝這個(gè)方向努力并且有希望可以成功，比如斯坦福大學(xué)的電子工程師蘇哈斯施·米特拉（Subhasish Mitra ）和他的團隊已經(jīng)設計出一種混合的芯片架構，可以將存儲單元和碳納米管做成的晶體管上下堆到一起，每層之間可以傳遞電流，米特拉的團隊認為這種架構的耗能將只有現在的標準芯片耗能的千分之一或更低。
移動(dòng)化
除了發(fā)熱，摩爾定律遇到的第二大挑戰是，計算設備走向移動(dòng)化。
25年前，計算機的概念只包括臺式電腦和筆記本電腦，超級電腦和數據中心基本上使用的是和臺式和筆記本電腦一樣的微處理器，不過(guò)就是數量多了些。但是現在，計算機的概念早已進(jìn)行了延伸，智能手機、平板電腦、智能手表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。
移動(dòng)應用和數據都已經(jīng)向云端的服務(wù)器轉移，云服務(wù)器對于微處理器的要求更高更嚴格，這對傳統的芯片制造商產(chǎn)生了很大影響，里德舉例說(shuō)：“谷歌(微博)和亞馬遜要買(mǎi)什么，對于英特爾決定制造什么產(chǎn)品有巨大的影響。”
對于移動(dòng)設備，電池續航能力的重要性更加凸顯，典型的智能手機的語(yǔ)音電話(huà)、Wi-Fi連接、藍牙、GPS、感知觸摸、磁場(chǎng)甚至指紋識別都是要耗電的，而且，移動(dòng)設備還需要內置特殊功能的電路，用來(lái)管理電源和能耗，以保證以上各個(gè)功能不快速把電池耗盡。
對于芯片制造商來(lái)說(shuō)，這些特殊要求破壞了原本半導體行業(yè)的“自動(dòng)升級”的經(jīng)濟循環(huán)流程，從而對摩爾定律產(chǎn)生挑戰。“原本的市場(chǎng)是你只需制造幾種產(chǎn)品，但是每樣的銷(xiāo)量都有非常巨大的規模，”里德稱(chēng)，“新的市場(chǎng)里，你需要制造巨多種類(lèi)的產(chǎn)品，每種只能買(mǎi)個(gè)幾十萬(wàn)件，所以，只有在設計和生產(chǎn)非常便宜的情況下才可以持續下去。”
而現實(shí)生產(chǎn)中，將不同的技術(shù)放到同一設備中和諧運行簡(jiǎn)直就是噩夢(mèng)，鮑特姆斯稱(chēng)：“要將不同的配件，不同的材料、電子、光子等，打包到一起和諧運行，需要新的架構、新的模擬、新的開(kāi)關(guān)等等來(lái)解決。”
對于那些能源管理的特殊功能電路，設計的流程更是無(wú)比緩慢和昂貴。在加州大學(xué)伯克利分校，電子工程師阿爾伯托·圣喬瓦尼-文森特利（Alberto Sangiovanni-Vincentelli ）及其團隊正在對此進(jìn)行改變，他們覺(jué)得人們應該通過(guò)組合各種現有的帶有各種功能的電路創(chuàng )造新的設備，“就像搭樂(lè )高積木。” 阿爾伯托說(shuō)，其挑戰就在于如何讓這些積木搭起來(lái)之后能夠各自運營(yíng)工作，但是“如果你使用舊的設計方法的話(huà)，成本就太大了。”
芯片商如今最關(guān)心的可能就是成本問(wèn)題了，“摩爾定律的終結不是技術(shù)問(wèn)題，而是經(jīng)濟問(wèn)題。” 鮑特姆斯說(shuō)，包括英特爾在內的一些公司，依然試圖在達到量子效應之前繼續縮小元件體積，但是，產(chǎn)品縮得越小，成本越高。
每次產(chǎn)品體積縮小一半，生產(chǎn)商就需要全新的更準確的影印石版機器。如今，建立一條全新的生產(chǎn)線(xiàn)往往需要投入幾十億美元，這個(gè)成本僅有少數幾家廠(chǎng)商可以承受。而由移動(dòng)設備帶來(lái)的市場(chǎng)碎片化，使得籌集這樣的資金更加困難。“一旦下一代的每晶體管成本超過(guò)現有的成本，產(chǎn)品更新就會(huì )停止。”很多業(yè)內人士認為，半導體行業(yè)已經(jīng)非常接近這個(gè)“產(chǎn)品更新停止”的階段。
是的，過(guò)去十年芯片行業(yè)成本的提升導致了企業(yè)間大量的重組并購，如今，世界上絕大多數的芯片生產(chǎn)線(xiàn)都屬于少數幾家企業(yè)比如英特爾、三星和臺積電等，這些芯片制造巨頭與原材料和設備供應商的關(guān)系密切，互相之間也開(kāi)始協(xié)調發(fā)展，世界半導體協(xié)會(huì )制造的行業(yè)研發(fā)藍圖也因此不再至關(guān)重要 。
美國的行業(yè)研究機構src曾經(jīng)長(cháng)期支持行業(yè)發(fā)展藍圖，但是，三年前，src對此熱情不再，“因為我們的會(huì )員公司覺(jué)得這個(gè)藍圖沒(méi)那么有用了，”src的副總裁斯蒂文·希勒尼斯（ Steven Hillenius）表示。src和美國半導體行業(yè)協(xié)會(huì )SIA一起，希望推動(dòng)更加長(cháng)期的、基本的研究日程，并且爭取獲得聯(lián)邦基金的支持，最好是通過(guò)去年七月白宮發(fā)布的“國家戰略計算倡議”（National Strategic Computing Initiative）。
src和SIA自己的研究日程于去年九月份發(fā)布，提到了未來(lái)行業(yè)面臨的幾大問(wèn)題，首先是能源效率——特別是“物聯(lián)網(wǎng)”帶來(lái)的耗能比較大的各類(lèi)智能傳感器；其次設備聯(lián)網(wǎng)也是同等重要，連接云端的各類(lèi)設備互相溝通需要大量的帶寬；最后是安全性，src和SIA呼吁行業(yè)開(kāi)發(fā)新的抵御網(wǎng)絡(luò )攻擊和數據盜竊的安全措施。
英特爾的高級微處理器研究負責人謝加·博卡爾（Shekhar Borkar）對這一切卻持樂(lè )觀(guān)態(tài)度，他說(shuō)：“雖然由于硅晶片的指數級增長(cháng)無(wú)法持續，摩爾定律正在走向終結，但是，從消費者的角度來(lái)說(shuō)，摩爾定律的含義其實(shí)表達的是他們將產(chǎn)品買(mǎi)到手中獲得的價(jià)值每?jì)赡暝诜瑥倪@個(gè)意義上講，只要這個(gè)行業(yè)不斷為設備增加新的功能，摩爾定律就能持續下去。”
“而且，各種想法都已經(jīng)有了，我們要做的只是去實(shí)現它們。”（木語(yǔ)）
