摩爾定律是一種推測而來的經(jīng)驗法則：

一顆微處理器芯片上的晶體管數(shù)量每兩年左右將會翻倍，而這通常意味芯片性能也隨之提升一倍

下個月，摩爾定律這一全球半導(dǎo)體行業(yè)自上世紀(jì)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(shù)革命的終結(jié)。

這項定律中所述的指數(shù)發(fā)展規(guī)律不僅在70年代~90年代的家用電腦發(fā)展史中得到了印證，而且在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)、汽車、冰箱、恒溫器等等行業(yè)的發(fā)展中也不例外。

不過這一切并不是必然的：以芯片業(yè)為例，在每一個發(fā)展階段中，軟件開發(fā)人員都會為消費(fèi)者提供對現(xiàn)有芯片性能充分壓榨的應(yīng)用，帶動消費(fèi)者對性能提升的需求，進(jìn)而促進(jìn)芯片制造商們加緊研發(fā)性能更為強(qiáng)悍的下一代芯片設(shè)備以滿足需求。

不僅如此，自上世紀(jì)90年代以來，半導(dǎo)體行業(yè)每兩年就會公布一份研究路線圖來保證業(yè)內(nèi)數(shù)以百計的制造商和供應(yīng)商與摩爾定律的步調(diào)一致。往大了說，整個家用電腦行業(yè)之所以能夠有條不紊的沿著定律前行很大程度上也歸功于這種路線圖的統(tǒng)一規(guī)劃。

雖然芯片商們希望能夠繼續(xù)沿著摩爾定律的軌道前行，但硅處理器的物理瓶頸是早晚都要面臨的問題。

隨著越來越多的硅電路集成到這么一小塊區(qū)域里，兩年一翻倍的發(fā)展定律已經(jīng)開始出現(xiàn)滯緩。目前高端的微處理器已經(jīng)達(dá)到了14nm的工藝級別，這一數(shù)字已經(jīng)小于絕大多數(shù)病毒的體積。預(yù)計在未來十年內(nèi)，硅處理器就會達(dá)到其物理極限。

“即使是在整個行業(yè)不斷努力研發(fā)突破的前提下，我們也還是會在20年代初期達(dá)到2~3nm的芯片工藝極限。”

——“路線圖”組織 主席 Paolo Gargini

而如果再進(jìn)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，使得晶體管變得不再可靠。盡管研究工作一直在進(jìn)行中，但目前并沒有能夠確定的硅技術(shù)繼任者。

半導(dǎo)體行業(yè)在下月將公布接下來一段時間的研發(fā)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(diào)制定路線圖。作為替代，此次將會遵循所謂的“超摩爾戰(zhàn)略”(the More than Moore strategy):不再以芯片技術(shù)驅(qū)動應(yīng)用發(fā)展，而是以應(yīng)用需求為驅(qū)動力。

小到智能手機(jī)，大到超算、云數(shù)據(jù)中心，未來將以它們的需求為核心決定芯片的發(fā)展。這些芯片將成為新一代的傳感器、電源管理電路和其他所需的硅設(shè)備，未來的計算將越來越趨于移動化。

但這樣一來，統(tǒng)領(lǐng)電子行業(yè)50余年的摩爾定律也將被打破。美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SIA)已經(jīng)代表業(yè)內(nèi)所有主要的美國公司表示，在下月的報告發(fā)布之后，它將不再參與路線圖的制定，未來該協(xié)會將轉(zhuǎn)而進(jìn)行自己的研究和發(fā)展議程。

然而摩爾定律的結(jié)束并不意味著技術(shù)發(fā)展的終結(jié)。

“每個人都糾結(jié)于路線圖實(shí)際上到底意味著什么。其實(shí)，我們可以類比一下飛機(jī)業(yè)：雖然波音787并不比上世紀(jì)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(jī)——波音787的技術(shù)創(chuàng)新就在于全電子操控以及碳纖維機(jī)身。這也將會是未來PC業(yè)的發(fā)展趨勢，技術(shù)上的創(chuàng)新絕對不會停止，但它將會以更加微妙和復(fù)雜的形式來實(shí)現(xiàn)。”

——愛荷華大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)家 Daniel Ree

摩爾定律的起源

戈登·摩爾在1965年發(fā)表那篇享譽(yù)盛名的文章之時，集成電路還尚屬新鮮事物。當(dāng)時作為仙童半導(dǎo)體公司研究主管的他，奇跡般地預(yù)測到了家用電腦、數(shù)字腕表、自動汽車以及“個人便攜式通信設(shè)備”——手機(jī)的出現(xiàn)。

而在那篇文章中，摩爾想要描述出的，是一份通向未來的“發(fā)展周期表”。

基于此前幾年在各家公司所取獲知的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，他把晶體管數(shù)量視為一種能夠衡量微處理器計算能力的指標(biāo)，并以此估算出每顆芯片上的晶體管和其他電子元件的數(shù)量能夠?qū)崿F(xiàn)每年翻一番。

而在與合伙人一同創(chuàng)辦了Intel之后，他發(fā)現(xiàn)這一預(yù)測有些偏差——他低估了研發(fā)所需的時間成本和經(jīng)濟(jì)成本。

于是，在1975年，他把時間周期修改為了2年。

事實(shí)證明，這一周期是可靠而正確的。

上世紀(jì)70、80年代，惠普計算機(jī)、蘋果II型電腦和IBM PC等消費(fèi)級微處理器設(shè)備開始大量涌現(xiàn)出來。市場對此類產(chǎn)品的需求也很快迎來了井噴，制造商們紛紛參與到這場競爭之中，競相提升自己的芯片技術(shù)工藝。

然而研發(fā)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芯片中，并進(jìn)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(jìn)光刻技術(shù)(在硅表面上進(jìn)行刻蝕的一種基礎(chǔ)性微處理器工藝技術(shù))。

在芯片業(yè)欣欣向榮的蓬勃發(fā)展期內(nèi)，一個天然的自我強(qiáng)化循環(huán)保證了芯片技術(shù)的投入產(chǎn)出比始終處于一種良性的狀態(tài)之下。有鑒于芯片廣泛的適用性，制造商們可以只專攻處理器和內(nèi)存技術(shù)就可以保證自己的銷售額足以承擔(dān)用于生產(chǎn)下一代芯片的研發(fā)成本，而且隨著技術(shù)的成熟還能進(jìn)一步壓低售價，拉動市場的需求。

不過事實(shí)證明，顯然這個以摩爾定律為基調(diào)的市場周期已經(jīng)難以為繼了。

芯片制造過程的復(fù)雜程度是難以想象的，數(shù)以百計的研發(fā)工序意味著每一次產(chǎn)品的更迭都需要材料供應(yīng)商和設(shè)備制造商及時跟上升級的步伐。

“假設(shè)制造下一代芯片需要對40種設(shè)備進(jìn)行升級的話，即使只有1個設(shè)備掉隊了，整個研發(fā)生產(chǎn)周期也要被順延。”

——德州大學(xué) 計算機(jī)經(jīng)濟(jì)學(xué)家 Kenneth Flamm

為了能夠更好的在業(yè)內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，半導(dǎo)體行業(yè)歷史性的設(shè)計了自己的路線圖。

“這樣就可以使每家企業(yè)都能對自己需要在何時做何事有一個大致的規(guī)劃，如果誰遇到了技術(shù)難題，就可以提前發(fā)出警報。”——“路線圖”組織 主席 Gargini

在來自不同公司的數(shù)百名工程師的努力下，美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)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(shù)戰(zhàn)略總監(jiān)的Gargini擔(dān)任該協(xié)會主席一職。

到了1998年，在各界的努力下，歐洲、日本、臺灣和韓國等地的協(xié)會開始與美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會合作，推出國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)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(shè)備與系統(tǒng)路線圖(the International Roadmap for Devices and Systems)。

“‘路線圖’是一項非常有趣的實(shí)驗。據(jù)我所知，還沒有哪個行業(yè)選擇像芯片業(yè)這樣把各家制造商和供應(yīng)商聚到一起，一同規(guī)劃未來的發(fā)展路線。”——Flamm

事實(shí)上，摩爾定律正是在“路線圖”的幫助下從一種經(jīng)驗法則變?yōu)榱艘环N“自然法”。換句話說，正是因為整個行業(yè)的“積極響應(yīng)”才推動了該定律從預(yù)言成為了一種既成事實(shí)。

“整個發(fā)展過程中，一切都顯得那么有條不紊，直到夢醒。”——Flamm

發(fā)熱的困擾

踐行摩爾定律中將會遇到的第一個技術(shù)瓶頸其實(shí)早已被預(yù)見，Gargini等人早在1989年就曾發(fā)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(dāng)我們將工藝尺寸縮小時，都會有一些美好的事情發(fā)生——比如芯片處理速度的提升為功耗的降低提供了相應(yīng)的空間，從而自然地對發(fā)熱量進(jìn)行控制。”

——Third Millennium Test Solutions 總裁 Bill Bottoms

但到了二十一世紀(jì)后，工藝制程發(fā)展到了90nm以下時，這種增益效應(yīng)就開始不再明顯。制造商們發(fā)現(xiàn)，電子在硅電路中跑得愈快，芯片就愈熱。

這是一項基礎(chǔ)性的技術(shù)難題。

雖然熱量的產(chǎn)生是必然的，但是沒有人想買一部手機(jī)用來煎雞蛋。

“制造商們最終選擇抓住唯一的救命稻草——不再提升芯片的主頻。這樣做就相當(dāng)于人為地對芯片進(jìn)行了限速，從而控制了熱量的產(chǎn)生程度。而這也導(dǎo)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，為了確保芯片性能可以繼續(xù)沿著摩爾定律周期性提升，芯片商們在限制處理速度的基礎(chǔ)上又做了進(jìn)一步的努力。

“雖然限制了處理速度，但與此同時芯片商們也重新設(shè)計了內(nèi)部電路——讓單顆芯片內(nèi)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?nèi)缃袼f的‘多核心’。發(fā)展到今天，四核、八核已經(jīng)成為了如今桌面電腦和智能手機(jī)的標(biāo)配。雖然理論上講，內(nèi)置4顆250MHz的芯片和單顆1GHz的芯片在處理速度上是一致的，但在現(xiàn)實(shí)中，想要用4顆處理器協(xié)同運(yùn)算就意味著需要把單一任務(wù)分成八個部分來處理。而對于許多任務(wù)來說這一拆分過程也是十分困難的。如果無法在多核上實(shí)現(xiàn)并行處理的話，將會反而限制芯片性能的提升。”

即便如此，把這兩個解決方案相結(jié)合之后，也的確幫助芯片制造商們成功沿著摩爾定律的道路繼續(xù)縮小電路尺寸，提升晶體管的數(shù)量。

但是如果居安思危的話，由于量子效應(yīng)的影響，到了20年代初期工藝尺寸勢必將無法再進(jìn)一步縮小，到時芯片業(yè)該何去何從呢?

或許身為國際芯片制造商 GlobalFoundries 的電子工程師兼新路線圖編制委員會主席An Chen的這句話能夠代表芯片制造商們的心聲：

“我們?nèi)匀辉诳嗨冀鉀Q方案中。”

這并不是說芯片業(yè)不思創(chuàng)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(jīng)形態(tài)計算的某種全新范式。

量子計算具備指數(shù)增長的計算潛力，而神經(jīng)形態(tài)計算則能夠以類大腦神經(jīng)元的方式進(jìn)行計算，兩者與傳統(tǒng)硅處理芯片相比都有明顯的計算優(yōu)勢。

但這些替代范式距離真正投入量產(chǎn)商用還有很長一段路要走，而且目前許多研究人員都認(rèn)為：量子計算只能夠在少數(shù)利基應(yīng)用中具備計算優(yōu)勢，而在面對數(shù)字計算時遠(yuǎn)沒那么給力。

內(nèi)部的升級優(yōu)化

“一旦人們從技術(shù)上的思維定勢中走出來，就會發(fā)現(xiàn)其實(shí)還有巨大的研究空間有待發(fā)掘。”

——半導(dǎo)體研究公司(SRC)物理學(xué)家 Thomas Theis

在數(shù)字領(lǐng)域中，另一種解決思路就是去找到某個“毫伏開關(guān)”：這種物質(zhì)需要具備能夠與硅匹敵的計算速度，同時還要有更低的發(fā)熱量。

雖然能夠列為候選的材料并不少——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，但目前并沒有任何一種毫伏開關(guān)能夠真正投入商用。

既然這種方法遇到了阻礙，那么換一種突破方式呢?

于是，又有人提出對架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)：繼續(xù)使用硅作為原材料，但用一種全新的構(gòu)架設(shè)計。

目前比較流行的方案就是以3D的方式進(jìn)行構(gòu)建，也就是把之前在硅片表面進(jìn)行的平面蝕刻技術(shù)轉(zhuǎn)變成多層蝕刻技術(shù)，再把這些蝕刻出的薄層硅進(jìn)行堆疊。

理論上講，這樣的確可以在同樣的空間內(nèi)提供更為強(qiáng)大的計算能力，然而在實(shí)際操作中，目前只能夠應(yīng)用于沒有發(fā)熱問題存在的內(nèi)存芯片中。

這是因為內(nèi)存芯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(shí)很少會被頻繁地訪問，所以不會產(chǎn)生過多的熱量。

“混合存儲多維數(shù)據(jù)集”這種設(shè)計就是其中的一個應(yīng)用范例——這種內(nèi)存會堆疊多達(dá)8層內(nèi)存。該設(shè)計最早是由三星和鎂光主導(dǎo)的行業(yè)協(xié)會推動完成。

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

不過這一問題并非無法解決，最簡單的解決方式就是將內(nèi)存集成到微處理器芯片中。

二者合而為一后，內(nèi)存與微處理器芯片將無需再進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)交換，而這至少能夠干掉50%的發(fā)熱量。換句話說，只要把內(nèi)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(chǎn)。目前來看，微處理器和內(nèi)存芯片的結(jié)構(gòu)差異很大，基本沒有在同一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)出來的可能。不僅如此，如果想要把兩者有機(jī)的堆疊起來還需要大幅重新設(shè)計芯片結(jié)構(gòu)。但是有鑒于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。

斯坦福大學(xué)的電子工程師 Subhasish Mitra 和他的同事們就開發(fā)出了一種混合架構(gòu)，能夠?qū)?nèi)存單元和碳納米管制成的晶體管堆疊，而且還能夠確保電子在不同疊加層間進(jìn)行有序移動。該團(tuán)隊還表示，他們所設(shè)計出的這種體系結(jié)構(gòu)能把功耗降低到標(biāo)準(zhǔn)芯片的千分之一。

移動化大潮

踐行摩爾定律中遇到的第二個技術(shù)瓶頸幾乎與第一個技術(shù)瓶頸同時出現(xiàn)，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于桌面和筆記本電腦間，即使是超級計算機(jī)或大型的數(shù)據(jù)中心，從本質(zhì)上講也不過是將數(shù)量龐大的微處理器放在了一起進(jìn)行協(xié)作計算。但我們再看看現(xiàn)在，日常的“計算”工作已經(jīng)越來越多的交由智能手機(jī)和平板電腦來完成。此外，諸如智能手表等可穿戴設(shè)備已經(jīng)又進(jìn)一步把“計算”的定義“移動化”。人們對于這些移動設(shè)備的需求完全不同于傳統(tǒng)的PC和筆記本電腦，移動化計算已經(jīng)成為了一種趨勢。

而在當(dāng)今大部分移動應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理工作都交給云服務(wù)器的大背景下，這些服務(wù)器將引領(lǐng)芯片商們繼續(xù)遵循摩爾定律的道路推出更為強(qiáng)大的微處理器。

“Google和亞馬遜的采購決策對Intel的生產(chǎn)研發(fā)工作有著巨大影響。”——Reed

然而，對于手機(jī)而言，相對于性能來說，更為重要的是持久的續(xù)航能力。

在典型的智能手機(jī)應(yīng)用場景中，芯片不僅要為語音通話、Wifi、藍(lán)牙以及GPS等功能隨時待命，還要對觸摸感應(yīng)、距離感應(yīng)、加速度測算、磁場感應(yīng)甚至指紋識別等功能提供全天候支持。所以智能手機(jī)必須有一套專用的電源管理系統(tǒng)來負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)電路功耗和用戶體驗。

而芯片制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(qiáng)化的發(fā)展周期。

“以前市場的情況是：即便做出來的芯片種類很少，單一產(chǎn)品的銷量也十分龐大。而現(xiàn)在的市場則是：即便每種芯片只能賣出去幾十萬顆，芯片商們也必須做出很多種產(chǎn)品，這就需要芯片商們把設(shè)計和組裝成本壓得很低。”——Reed

把許多各自獨(dú)立的生產(chǎn)技術(shù)結(jié)合到一起，使其能夠在同一設(shè)備中協(xié)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(fā)出能夠使之在狹小空間內(nèi)共存的新型架構(gòu)，以及新的模擬器、交換機(jī)等等。”——Reed

對于許多的專用電路來說，設(shè)計仍然是一項需要耗費(fèi)大量時間和人力的傳統(tǒng)工作。

不過，加州大學(xué)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(xiàn)狀。他們的想法是，設(shè)計師們不需要每次設(shè)計都從頭做起，他們可以通過將大量已設(shè)計完畢的電路進(jìn)行模塊化組合來完成新的芯片設(shè)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(zhàn)，設(shè)計師們需要確保這些模塊化的電路能夠在一起協(xié)同工作。雖然難度系數(shù)比較大，但總比用傳統(tǒng)方法設(shè)計電路所需的成本更低廉一些。”——Sangiovanni-Vincentelli

換句話說，當(dāng)下困擾芯片商的難題不是技術(shù)，而是成本。

“摩爾定律時代的終結(jié)所帶來的不是技術(shù)問題，而是經(jīng)濟(jì)問題。目前諸如Intel等芯片商仍然在嘗試?yán)^續(xù)縮小元件尺寸而非從量子的途徑尋找解決方案。但事實(shí)上，工藝尺寸愈小，研發(fā)成本就愈高，這是必然的。”——Bottom

芯片工藝的每次提升，都意味著制造商們要制造出更加精確的光刻機(jī)。以現(xiàn)在的經(jīng)濟(jì)水平來看，建立一個新的生產(chǎn)線通常都需要數(shù)十億美元，大部分企業(yè)都無法承擔(dān)這么多的成本投入，而移動設(shè)備市場的碎片化問題則進(jìn)一步加劇了資金回流的難度。

“只要研發(fā)下一代芯片所需的單晶體管成本超過現(xiàn)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(rèn)為，芯片業(yè)已經(jīng)非常接近這一臨界點(diǎn)了。

“我敢打賭，我們在達(dá)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(jīng)導(dǎo)致芯片業(yè)內(nèi)部出現(xiàn)了合并潮。當(dāng)今世界上大部分的生產(chǎn)線現(xiàn)在都已經(jīng)落到了諸如Intel、三星、臺積電等企業(yè)的手里。這些芯片制造業(yè)巨頭早已與設(shè)備制造商們形成了緊密的統(tǒng)一戰(zhàn)線，路線圖存在的意義已經(jīng)被大打折扣。

“芯片制造商們對路線圖的需求已經(jīng)沒那么強(qiáng)烈了。”——Vhen

雖然SRC作為美國行業(yè)研究機(jī)構(gòu)，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(jīng)不再對路線圖的制定提供支持了，因為內(nèi)部的成員公司已經(jīng)看不到它存在的意義。"

日前，SRC聯(lián)合SIC一起，開始致力于建立一項更為長效而基礎(chǔ)的研究議程，并希望能夠在白宮去年7月推出的“國家戰(zhàn)略計算計劃”中獲得聯(lián)邦的資金支持。

這項議程是于去年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(dāng)其沖的就是能效問題——特別是對于由嵌入式智能傳感器組成的“物聯(lián)網(wǎng)”，未來將需要在沒有電池的情況下，將周圍環(huán)境中的熱能和動能轉(zhuǎn)化為電力;

另一個問題就是可連接性——未來，數(shù)十億臺設(shè)備間進(jìn)行通信和云計算所需要的帶寬是難以想象的，而目前可以預(yù)見的一種解決方案就是利用現(xiàn)今尚無法企及的紅外光譜深處的太赫茲波段;

第三個至關(guān)重要的問題就是安全性——未來我們將需要構(gòu)建更為牢固的安全機(jī)制來防范網(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)盜竊。

即使只是上文中列出的這三點(diǎn)就已經(jīng)夠研究人員忙上幾年了。

不過，還是有一部分業(yè)內(nèi)人士對此表示樂觀態(tài)度。其中就包括在Intel從事先進(jìn)微處理器研究的主管Shekhar Borkar：

“雖然從字面意思上來看，晶體管數(shù)量的指數(shù)增長的確已經(jīng)無以為繼，摩爾定律的時代即將終結(jié)。但從消費(fèi)者的角度來看，其實(shí)摩爾定律只是在說芯片對于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(yè)內(nèi)能夠繼續(xù)向設(shè)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(shí)施方案已經(jīng)出爐。

“我們的任務(wù)就是把這些方案化為現(xiàn)實(shí)。”