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摩爾定律正式失效，半導體行業(yè)何去何從？

[摘要]下個月即將出版的國際半導體技術(shù)路線圖，不再以摩爾定律為目標了。

摩爾定律正式失效，半導體行業(yè)何去何從？

2月16日消息，下個月，全球半導體行業(yè)將正式認可一個已經(jīng)被討論許久的問題：從上世紀60年代以來一直在推動IT行業(yè)發(fā)展的摩爾定律正在走向終結(jié)。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)表文章對此進行了探討。

以下為文章主要內(nèi)容編譯：

摩爾定律可以說是整個計算機行業(yè)最重要的定律，它其實是一個預言：每兩年微處理器的晶體管數(shù)量都將加倍——意味著芯片的處理能力也加倍。這種指數(shù)級的增長，促使上世紀70年代的大型家庭計算機轉(zhuǎn)化成80、90年代更先進的機器，然后又孕育出了高速度的互聯(lián)網(wǎng)、智能手機和現(xiàn)在的車聯(lián)網(wǎng)、智能冰箱和自動調(diào)溫器等。

這個看起來自然而然的進程，實際很大程度也是人類有意控制的結(jié)果，芯片制造商有意按照摩爾定律預測的軌跡發(fā)展：軟件開發(fā)商新的軟件產(chǎn)品日益挑戰(zhàn)現(xiàn)有設(shè)備的芯片處理能力，消費者需要更新為配置更高的設(shè)備，設(shè)備制造商趕忙去生產(chǎn)可以滿足處理要求的下一代芯片。上世紀90年代以來，半導體行業(yè)每兩年就會發(fā)布一份行業(yè)研發(fā)規(guī)劃藍圖，協(xié)調(diào)成百上千家芯片制造商、供應(yīng)商跟著摩爾定律走，這樣的戰(zhàn)略，有時也被稱之為“更多摩爾”（More Moore），由于這份規(guī)劃藍圖的存在，整個計算機行業(yè)才跟著摩爾定律按部就班地發(fā)展。

但現(xiàn)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越多的硅電路，產(chǎn)生的熱量也越來越大，這種原本兩年處理能力加倍的速度已經(jīng)慢慢下滑。此外，還有更多更大的問題也慢慢顯現(xiàn)，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(shù)病毒還要小。但是，全球半導體行業(yè)研發(fā)規(guī)劃藍圖協(xié)會主席保羅·加爾吉尼（ Paolo Gargini）表示：“到2020年，以最快的發(fā)展速度來看，我們的芯片線路可以達到2-3納米級別，然而在這個級別上只能容納10個原子，這樣的設(shè)備，還能叫做一個‘設(shè)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)有無數(shù)研究，但目前人們?nèi)匀粺o法找到可以替代如今的硅片技術(shù)的新的材料或技術(shù)。

下個月發(fā)布的行業(yè)研究規(guī)劃藍圖將史無前例地不以摩爾定律為中心，相反，新的戰(zhàn)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(shù)據(jù)中心——然后反過來看要支持軟件和應(yīng)用的運行需要什么處理能力的芯片來支持，由于新的計算設(shè)備變得越來越移動化，新的芯片中，可能會有新的一代的傳感器、電源管理電路和其他的硅設(shè)備。

這種局勢的轉(zhuǎn)變，也改變了半導體行業(yè)圍繞摩爾定律不再團結(jié)一致?！按蠹叶疾淮_定新的研究規(guī)劃藍圖意味著什么，” 愛荷華大學計算機科學家丹尼爾·里德（Daniel Reed）表示。位于華盛頓DC的 半導體行業(yè)協(xié)會（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(guī)劃藍圖的章程，而是自行決定研發(fā)進度。

盡管摩爾定律已經(jīng)走向黃昏，但這并不意味著半導體行業(yè)停止了發(fā)展。丹尼爾·里德將之與飛機制造行業(yè)進行比較：“現(xiàn)在的波音787并不比上世紀50年代的波音707快多少——但這兩個型號的飛機可差太多了，波音787的創(chuàng)新體現(xiàn)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)新將會繼續(xù)，但是會體現(xiàn)在更細小和更復雜的地方?！?/p>

摩爾定律的誕生

在1965年那篇著名的論文發(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(jiān)，他已經(jīng)預測了家用計算機、電子腕表、自動駕駛汽車以及“個人可移動溝通設(shè)備”——手機的誕生，但1965年那篇關(guān)于后來被稱為“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)于未來計算機行業(yè)發(fā)展的時間表，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(shù)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，在上述論文里，他顯然高估了芯片更新?lián)Q代的速度，1975年，他將這個預測修改到更為現(xiàn)實的兩年加倍，隨后，上世紀70年代和80年代，隨著惠普個人電腦、Apple II計算機和IBM PC等個人消費產(chǎn)品的誕生，行業(yè)對芯片的處理能力要求越來越高，體積要求越來越小，摩爾的預言開始成真。

摩爾定律正式失效，半導體行業(yè)何去何從？

這樣的發(fā)展是很昂貴的，芯片處理能力的提升意味著將更多的電路集成到芯片中來，從而電子可以從中移動地更快，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)）的要求越來越高。但是，在半導體行業(yè)發(fā)展的鼎盛時期，這并不是特別大的問題，企業(yè)發(fā)展出了一個可謂“自動升級”的循環(huán)流程：通過大規(guī)模制造和銷售少數(shù)種類的芯片——主要是處理器和存儲芯片——獲得大量收入，然后投錢去改進工廠和設(shè)備，結(jié)果是在提升芯片性能的同時仍能降低價格，因此市場的需求也獲得進一步提升。

不過，很快這個市場驅(qū)動的模式也無法維持摩爾定律的高速度發(fā)展，芯片制造的過程變得過于復雜，常常包含幾百個步驟，產(chǎn)品的升級意味著整個供應(yīng)商和設(shè)備商需要在對的時間同時完成升級?！叭绻阈枰?0個家供應(yīng)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?！?德克薩斯州大學奧斯汀分校研究計算機行業(yè)的經(jīng)濟學家肯尼思·弗拉姆（ Kenneth Flamm）表示。

為了完成產(chǎn)業(yè)上下游的協(xié)調(diào)，全球半導體行業(yè)開始制作了第一次的行業(yè)研發(fā)規(guī)劃藍圖，目的是“讓所有人都能大致知道他們的進度應(yīng)該到哪，如果在發(fā)展過程中遇到問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(zhàn)略，時任英特爾技術(shù)戰(zhàn)略總監(jiān)的加爾吉尼成為該協(xié)會主席，1998年，來自歐洲、日本、臺灣和韓國的半導體行業(yè)協(xié)會也都紛紛加入，該協(xié)會變成了國際組織。

“熱死亡”

全球半導體行業(yè)協(xié)會遇到的第一個大的問題并非突然出現(xiàn)，加爾吉尼在1989年就曾經(jīng)對此進行過警告，然而問題來臨之時對行業(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，問題就會自動解決，” 加州圣塔克拉拉第三個千年測試解決方案（Third Millennium Test Solutions）公司的CEO比爾·鮑特姆斯（Bill Bottoms）表示：“芯片會變得更快，耗能更少?！?/p>

但是到了本世紀初，微電路縮小到90納米以下的時候，上述“自動解決”的方式開始不再靈光，隨著越來越小的硅電路里的電子移動越來越快，芯片開始變得過熱。

這是一個很嚴重的問題，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，設(shè)備商不再追求絕對的計算次數(shù)，也就是處理器執(zhí)行指令的速度。這樣等于給芯片的電子運行速度加了上限，同時限制了產(chǎn)生的熱量，2004年以來，這個運行速度的上限從沒變過。

第二，雖然速度無法再提升，但為了將芯片性能按照摩爾定律進行提升，制造商對芯片內(nèi)部電路重新進行了設(shè)計，每個芯片不再僅有一個處理器（或“內(nèi)核”），而是兩個、四個甚至更多（現(xiàn)在的電腦和手機的芯片很多都是四核或者八核處理器）?？偟膩碚f，原本一個千兆赫的內(nèi)核現(xiàn)在可以分為四個250兆赫的內(nèi)核。不過，在現(xiàn)實中，要使用八個處理器，意味著一個問題需要被分成八個部分，很多算法很難甚至無法做到這一點，“如果有部分沒被利用，等于你的處理速度升級還是受到了限制，” 加爾吉尼說。

盡管如此，上述兩大措施的結(jié)合，還是保證了制造商在發(fā)展進度上跟上了摩爾定律，現(xiàn)在的問題是，到2020年，當微電路縮小到會受到量子效應(yīng)影響的時候會發(fā)生什么情況？下一步會是什么樣子？“我們還沒有解決方案，”參與制作新的行業(yè)規(guī)劃藍圖的一名工程師陳安（音譯）表示。

對此，行業(yè)內(nèi)并不是沒有想法，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(shù)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驗室的負責人約翰·莎爾福（John Shalf）說。

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“毫伏開關(guān)”——一種在計算速度上不亞于硅晶片，但發(fā)熱量顯著低于硅的材料?？尚械姆桨赴?D類石墨烯復合材料到自旋電子材料（spintronic materials ），后者可以通過讓電子快速旋轉(zhuǎn)來進行計算（現(xiàn)在的硅材料是電子發(fā)生移動來計算）。“當你跳出現(xiàn)有的技術(shù)的限制，就會發(fā)展可供研究開發(fā)的領(lǐng)域非常多?！卑雽w研究聯(lián)合體（Semiconductor Research Corporation，src）的物理學家托馬斯·西斯 （Thomas Theis）表示。

然而，這些方案目前也都僅限于實驗室研究階段，目前行業(yè)里仍未找到可以完全替代硅的材料，于是，不少研究人員開始在保留硅材料的前提下想辦法，也就是從架構(gòu)的角度將硅材料以全新的方式進行配置，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)蝕刻進電路的薄硅片堆積起來呈立體的形狀？然而，現(xiàn)實中，這種方式目前只能用于純存儲類芯片，因為存儲類芯片不存在發(fā)熱過度的問題， 它們的電路只在與存儲單元（ memory cell ）接觸的時候才產(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(shè)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，類似“夾心餅干” ）設(shè)計，就是將多層存儲硅晶片堆起來。

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，只會讓它們變得更熱，一種解決方案是將存儲和微處理器芯片完全分開，至少可以分走50%的熱量（雖然在兩者之間傳遞數(shù)據(jù)依然會產(chǎn)生新的熱量），將它們在納米級別上一層一層堆起來做成3D。

這在現(xiàn)實中依然很難實現(xiàn)，因為目前微處理器和存儲芯片的制造流程完全不同，無法在同一條流水線上進行生產(chǎn)，要將它們堆起來，需要對芯片的結(jié)構(gòu)進行全面重新設(shè)計。但是，已經(jīng)有不少研究機構(gòu)正在朝這個方向努力并且有希望可以成功，比如斯坦福大學的電子工程師蘇哈斯施·米特拉（Subhasish Mitra ）和他的團隊已經(jīng)設(shè)計出一種混合的芯片架構(gòu)，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(gòu)的耗能將只有現(xiàn)在的標準芯片耗能的千分之一或更低。

移動化

除了發(fā)熱，摩爾定律遇到的第二大挑戰(zhàn)是，計算設(shè)備走向移動化。

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(shù)據(jù)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，不過就是數(shù)量多了些。但是現(xiàn)在，計算機的概念早已進行了延伸，智能手機、平板電腦、智能手表和其他可穿戴設(shè)備等都是新的計算設(shè)備，而這些新式計算設(shè)備對處理器的需求與其前輩電腦差別非常大。

移動應(yīng)用和數(shù)據(jù)都已經(jīng)向云端的服務(wù)器轉(zhuǎn)移，云服務(wù)器對于微處理器的要求更高更嚴格，這對傳統(tǒng)的芯片制造商產(chǎn)生了很大影響，里德舉例說：“谷歌(微博)和亞馬遜要買什么，對于英特爾決定制造什么產(chǎn)品有巨大的影響?！?/p>

對于移動設(shè)備，電池續(xù)航能力的重要性更加凸顯，典型的智能手機的語音電話、Wi-Fi連接、藍牙、GPS、感知觸摸、磁場甚至指紋識別都是要耗電的，而且，移動設(shè)備還需要內(nèi)置特殊功能的電路，用來管理電源和能耗，以保證以上各個功能不快速把電池耗盡。

對于芯片制造商來說，這些特殊要求破壞了原本半導體行業(yè)的“自動升級”的經(jīng)濟循環(huán)流程，從而對摩爾定律產(chǎn)生挑戰(zhàn)?！霸镜氖袌鍪悄阒恍柚圃鞄追N產(chǎn)品，但是每樣的銷量都有非常巨大的規(guī)模，”里德稱，“新的市場里，你需要制造巨多種類的產(chǎn)品，每種只能買個幾十萬件，所以，只有在設(shè)計和生產(chǎn)非常便宜的情況下才可以持續(xù)下去?！?/p>

而現(xiàn)實生產(chǎn)中，將不同的技術(shù)放到同一設(shè)備中和諧運行簡直就是噩夢，鮑特姆斯稱：“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(gòu)、新的模擬、新的開關(guān)等等來解決?！?/p>

對于那些能源管理的特殊功能電路，設(shè)計的流程更是無比緩慢和昂貴。在加州大學伯克利分校，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行改變，他們覺得人們應(yīng)該通過組合各種現(xiàn)有的帶有各種功能的電路創(chuàng)造新的設(shè)備，“就像搭樂高積木?！?阿爾伯托說，其挑戰(zhàn)就在于如何讓這些積木搭起來之后能夠各自運營工作，但是“如果你使用舊的設(shè)計方法的話，成本就太大了。”

芯片商如今最關(guān)心的可能就是成本問題了，“摩爾定律的終結(jié)不是技術(shù)問題，而是經(jīng)濟問題?！?鮑特姆斯說，包括英特爾在內(nèi)的一些公司，依然試圖在達到量子效應(yīng)之前繼續(xù)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)線往往需要投入幾十億美元，這個成本僅有少數(shù)幾家廠商可以承受。而由移動設(shè)備帶來的市場碎片化，使得籌集這樣的資金更加困難?！耙坏┫乱淮拿烤w管成本超過現(xiàn)有的成本，產(chǎn)品更新就會停止?！焙芏鄻I(yè)內(nèi)人士認為，半導體行業(yè)已經(jīng)非常接近這個“產(chǎn)品更新停止”的階段。

是的，過去十年芯片行業(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(shù)的芯片生產(chǎn)線都屬于少數(shù)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(shè)備供應(yīng)商的關(guān)系密切，互相之間也開始協(xié)調(diào)發(fā)展，世界半導體協(xié)會制造的行業(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(gòu)src曾經(jīng)長期支持行業(yè)發(fā)展藍圖，但是，三年前，src對此熱情不再，“因為我們的會員公司覺得這個藍圖沒那么有用了，”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SIA一起，希望推動更加長期的、基本的研究日程，并且爭取獲得聯(lián)邦基金的支持，最好是通過去年七月白宮發(fā)布的“國家戰(zhàn)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，提到了未來行業(yè)面臨的幾大問題，首先是能源效率——特別是“物聯(lián)網(wǎng)”帶來的耗能比較大的各類智能傳感器；其次設(shè)備聯(lián)網(wǎng)也是同等重要，連接云端的各類設(shè)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)開發(fā)新的抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)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）對這一切卻持樂觀態(tài)度，他說：“雖然由于硅晶片的指數(shù)級增長無法持續(xù)，摩爾定律正在走向終結(jié)，但是，從消費者的角度來說，摩爾定律的含義其實表達的是他們將產(chǎn)品買到手中獲得的價值每兩年在翻番，從這個意義上講，只要這個行業(yè)不斷為設(shè)備增加新的功能，摩爾定律就能持續(xù)下去?！?/p>

“而且，各種想法都已經(jīng)有了，我們要做的只是去實現(xiàn)它們。

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