摩爾定律消退后 計(jì)算機(jī)行業(yè)將如何發(fā)展？

　　摩爾定律最早由英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人 Gordon Moore 提出，內(nèi)容是：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件數(shù)量約每隔 18-24 個(gè)月就會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。后面 Moore 修正了模型，變?yōu)椋簡(jiǎn)挝幻娣e芯片上的晶體管數(shù)量每?jī)赡昴軐?shí)現(xiàn)翻番。

　　誰(shuí)也想不到，這個(gè) 1971 年提出的定律，竟能支配計(jì)算領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá) 44 年的時(shí)間。直到今天，英特爾官方宣布，放棄過(guò)去十年堅(jiān)持的 Tick-Tock 處理器發(fā)展模式，通過(guò)延長(zhǎng)制造工藝的生命周期，將之前的處理器研發(fā)周期從 “兩步” 變成 “三步”：

　　制程工藝(PROCESS)

　　架構(gòu)更新(ARCHITECTURE)

　　優(yōu)化(OPTIMIZATION)。

　　英特爾 CEO Brian Krzanich 表示，“我們的更新周期已經(jīng)從 2 年延長(zhǎng)到了 2 年半。”

　　這意味著對(duì)于英特爾而言，摩爾定律已經(jīng)失效。

　　摩爾定律的失效，并不出乎人們的意料。微軟研究院的副總裁 Peter Lee 曾經(jīng)開玩笑說(shuō)：“預(yù)測(cè)摩爾定律將會(huì)失效的人數(shù)，每 2 年都會(huì)翻上一番。” 而在英特爾官方宣布放棄追求摩爾定律曲線的時(shí)候，這一天也就到來(lái)了。

　　摩爾定律對(duì)整個(gè)計(jì)算產(chǎn)業(yè)有著舉足輕重的影響。我們最為關(guān)心的是，在摩爾定律之后，計(jì)算領(lǐng)域會(huì)發(fā)生什么改變?答案就在以下十大方向，包括：

　　1、從根本上改變芯片的設(shè)計(jì)：包括 3D 維度的芯片設(shè)計(jì)、周圍柵極、量子隧穿效應(yīng)等。

　　2、尋找硅材料的替代品：包括硅 - 鍺(SiGe)、合金隧道、III-V 材料設(shè)計(jì)、石墨烯、自旋晶體管等。

　　3、從現(xiàn)有晶體管尋找出路：多核芯片、特制芯片、新品種芯片。

　　4、計(jì)算框架的變革：量子計(jì)算框架、光通信、量子阱晶體管、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算、近似計(jì)算。

　　摩爾定律的黃昏將帶來(lái)機(jī)遇、混亂和大量的摧毀性創(chuàng)意。一個(gè)原本依賴于大量設(shè)備穩(wěn)步升級(jí)的行業(yè)將被撕碎。那么計(jì)算的未來(lái)，究竟會(huì)怎樣發(fā)展?

　　摩爾定律背后的物理瓶頸

　　摩爾定律的黃昏與計(jì)算行業(yè)的黎明摩爾定律并不是一套 “物理定律”，而是大公司定義的經(jīng)濟(jì)規(guī)則。在以英特爾為首的芯片公司定義了一套游戲規(guī)則，要在兩年的時(shí)間里把晶體管數(shù)量增加一倍，同時(shí)成本減少一半。

　　過(guò)去這套經(jīng)濟(jì)規(guī)則并沒(méi)有違反物理定律。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶體管在體積變小時(shí)，性能也會(huì)變得更好：

　　體積較小的晶體管在開啟關(guān)閉時(shí)需要的能量更少、速度也更快。這意味著你可以使用更多更快的晶體管，而無(wú)需付出更多能量或產(chǎn)生更多廢熱，因此芯片可以在越做越大的同時(shí)、性能也越來(lái)越好。

　　能做到這一點(diǎn)的公司獲得了成功，而做不到的則逐漸被歷史淘汰。但當(dāng)晶體管尺度變小到小型化的極限 “原子尺寸” 的時(shí)候，事情變得和人們期待的有所不同。

　　在這種原子尺寸下，現(xiàn)代晶體管的源極和漏極非常接近，大約是 20 納米的量級(jí)。這會(huì)引起隧道泄露，剩余電流能夠在裝置關(guān)閉的時(shí)候通過(guò)，浪費(fèi)了電量和產(chǎn)生不必要的熱量。

　　從這個(gè)來(lái)源產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問(wèn)題。許多現(xiàn)代芯片都必須低于最高的速度運(yùn)行，或者周期性的關(guān)閉部分開關(guān)以避免過(guò)熱，這限制了它們的性能表現(xiàn)。

　　現(xiàn)在的芯片晶體管間距已經(jīng)在 10 納米左右的量級(jí)了。減小間距會(huì)帶來(lái)非線性的成本增加，根據(jù)國(guó)際商務(wù)戰(zhàn)略公司 CEO Handel Jones 的估計(jì)，當(dāng)業(yè)界能夠生產(chǎn)晶體管間距 5 納米的芯片時(shí)(根據(jù)過(guò)去的增長(zhǎng)率來(lái)看可能出現(xiàn)在 2020年 代早期)，晶圓廠的成本可能飆升到超過(guò) 160 億美元，這是英特爾目前年?duì)I收的三分之一。

　　2015 年英特爾的年?duì)I收是 554 億美元，只比 2011 年增長(zhǎng)了 2%。這種營(yíng)收的緩慢增長(zhǎng)與成本的大幅上漲，帶來(lái)了顯而易見(jiàn)的結(jié)論：從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，摩爾定律已經(jīng)過(guò)時(shí)了。