摩爾定律雖將終結(jié) 硬件發(fā)展出路尤在

　　芯片巨頭英特爾公司日前在提交給美國(guó)證券交易委員會(huì)的文件中提到停止采用“Tick-Tock”處理器升級(jí)周期，轉(zhuǎn)而更換為處理器研發(fā)周期三步戰(zhàn)略，即制程工藝(PROCESS)-架構(gòu)更新(ARCHITECTURE)-優(yōu)化(OPTIMIZATION)，這樣一來(lái)，產(chǎn)品的升級(jí)及更新周期將大幅延長(zhǎng)。

　　不擠牙膏 英特爾新聞引關(guān)注

　　這一消息的公布引發(fā)了軒然大波，有些媒體將其視作摩爾定律(Moore"s law)的終結(jié)，還有不少網(wǎng)友認(rèn)為英特爾連牙膏也不愿意擠了，忽視消費(fèi)者的利益只想坐著賺錢(qián)。

　　這兩種看法從客觀和主觀上認(rèn)定了技術(shù)發(fā)展的放緩甚至是停滯，但事實(shí)往往不只是表象這么簡(jiǎn)單。在提出50年之后，摩爾定律仍然有著一眾擁躉，也足以見(jiàn)得其影響之深遠(yuǎn)。

　　不過(guò)雖然有部分媒體和消費(fèi)者不看好，但是經(jīng)過(guò)50多年考驗(yàn)的摩爾定律不一定就這樣終結(jié)了。下面筆者就帶您縱觀CPU芯片的發(fā)展，來(lái)看看摩爾定律到底遇到了怎樣的瓶頸，未來(lái)的發(fā)展真的像一些人所說(shuō)的那樣要沒(méi)戲了嗎?

　　兩年翻番 摩爾定律預(yù)測(cè)發(fā)展

　　其實(shí)提到電子產(chǎn)品的性能發(fā)展，很多朋友都聽(tīng)說(shuō)過(guò)摩爾定律。需要注意的是，雖然名為定律，但摩爾定律并不是一個(gè)真正的定論，而是人為預(yù)測(cè)的一個(gè)發(fā)展的趨勢(shì)，具有一定的指導(dǎo)意義。

　　摩爾定律是由英特爾的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)在1965年4月的《電子》雜志(Electronics)提出的，其核心內(nèi)容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過(guò)24個(gè)月便會(huì)增加一倍。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是說(shuō)集成電路上的晶體管數(shù)量每過(guò)兩年就會(huì)翻一番，也就是說(shuō)，這一數(shù)字是呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的，發(fā)展的速度會(huì)越來(lái)越快。

　　自從1965年以來(lái)，摩爾定律一直吻合電腦處理器中晶體管的數(shù)目，從最早的1958年的集成電路中一個(gè)雙極性晶體管、三個(gè)電阻和一個(gè)電容，到2011年的處理器中超過(guò)了26億枚晶體管，處理器性能在飛速提高的同時(shí)保持了較低的能耗，價(jià)格也在貼近消費(fèi)者的水平，為我們提供了越來(lái)越好的體驗(yàn)。

　　摩爾定律體現(xiàn)在英特爾的處理器上，就是“Tick-Tock”的發(fā)展模式。“Tick-Tock”原意是時(shí)鐘走過(guò)一秒鐘發(fā)出的“滴答”聲響，因此也稱(chēng)為“鐘擺”理論。

　　英特爾每隔兩年對(duì)處理器架構(gòu)進(jìn)行一次升級(jí)，即“Tick年”實(shí)現(xiàn)制造工藝進(jìn)步，而“Tock年”則實(shí)現(xiàn)架構(gòu)的更新，從而實(shí)現(xiàn)每?jī)赡甑囊淮伟l(fā)展，這也是摩爾定律的一個(gè)較為直觀的展示。

　　遇到瓶頸 制造工藝技術(shù)受限

　　近期英特爾停止“Tick-Tock”發(fā)展模式被一些媒體解讀為摩爾定律的終結(jié)，這一說(shuō)法暫時(shí)還沒(méi)有被多數(shù)人響應(yīng)，但不能否認(rèn)的是，CPU性能的發(fā)展確實(shí)遇到了瓶頸。

　　此前的2015年年中，英特爾承認(rèn)其10納米制造工藝延期，無(wú)法按預(yù)期在當(dāng)年年底前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，因此不得不延長(zhǎng)14納米Skylake處理器架構(gòu)生命周期。一直高速發(fā)展的處理器“突然”慢了下來(lái)，并不是網(wǎng)友認(rèn)為的那樣，“英特爾連牙膏都不愿意擠了”。

　　CPU的制造工藝，即在硅材料上生產(chǎn)CPU時(shí)元器件的連接線寬度在不斷減小，經(jīng)歷了0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.13微米、90納米、65納米、45納米、32納米、22納米，到現(xiàn)在的14納米，乃至以后的10納米、7納米，制造工藝在不斷進(jìn)步的同時(shí)也提供了更多的晶體管布局和更少的能耗。

　　進(jìn)一步提升CPU制造工藝的難度在于，現(xiàn)有的材料和技術(shù)水平很難在更小的尺寸上布局元件，而且在更小的尺度下，一些器件就不能簡(jiǎn)單地以半導(dǎo)體元件的物理知識(shí)進(jìn)行分析，還需要結(jié)合量子力學(xué)的理論，這樣一來(lái)整個(gè)CPU的設(shè)計(jì)就會(huì)變得更為復(fù)雜。

　　除此之外，考慮到原子的尺寸，一些器件或涂層的體積是無(wú)法縮小的，這樣就進(jìn)一步限制了處理器尺寸的減小，由于成本的限制也很難將非常精尖的技術(shù)應(yīng)用到大規(guī)模量產(chǎn)中。

　　出路尤在 硬件發(fā)展需多元化

　　這樣看來(lái)好像摩爾定律正如一些媒體認(rèn)為的那樣要終結(jié)了，不過(guò)正如摩爾定律不是一個(gè)定論一樣，硬件的發(fā)展也并不局限，仍然是有出路的。

　　在2015年5月接受電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE，Institute　of　Electrical　and　Electronics　Engineers)在摩爾定律50周年之際的采訪時(shí)，戈登·摩爾運(yùn)用了一個(gè)形象的比喻：“我無(wú)法預(yù)見(jiàn)下一個(gè)世代(芯片)的發(fā)展，在那兒我們仿佛遇上了一堵墻。而墻一直在后退(使我們有繼續(xù)進(jìn)步的空間)。我很驚訝工程師有如此的創(chuàng)造力，可以在難于突破的環(huán)境下找到新的出路。”

　　目前的CPU制造工藝還是主要注重于在平面上進(jìn)步，而要突破摩爾定律的瓶頸可以依靠在深度(空間)層面上發(fā)展。借助3D布局，CPU的元件布局可以更加緊湊，元器件之間的連接也可以更為高效。

　　另外，目前受限于氧化硅層的厚度最小為1納米，以后的發(fā)展可能會(huì)需要其他材料，也就是將柵氧化層替換為其他材料，例如英特爾就將氧化鉿(HfO2)作為柵氧化層材料，未來(lái)也有可能采用其他材料進(jìn)行優(yōu)化。

　　此外，優(yōu)化設(shè)計(jì)也是可以提升CPU性能的一個(gè)方面，現(xiàn)有的CPU空間利用率非常高，但是周?chē)牡胤絽s沒(méi)有如此密集的元器件，如果能將這些空間合理利用，也可以將整體性能再度提高，不過(guò)和前者不同，這種方式可以提升的性能有限。

　　既然有這樣的方法，為什么英特爾還是延長(zhǎng)了處理器升級(jí)周期呢?有些是現(xiàn)有的技術(shù)不夠成熟，無(wú)法應(yīng)用在商業(yè)產(chǎn)品中;有些原材料限制使得制造成本過(guò)高，最終的產(chǎn)品零售價(jià)過(guò)高，不適合作為消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品;還有目前不適合量產(chǎn)的處理技術(shù)，需要發(fā)展完善之后才能讓用戶(hù)受益。

　　從現(xiàn)在的形勢(shì)來(lái)看CPU的發(fā)展放緩，但這并不影響技術(shù)的繼續(xù)進(jìn)步。遇到的瓶頸對(duì)大家來(lái)說(shuō)都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，相信我們也會(huì)堅(jiān)韌不拔地努力下去，發(fā)展的腳步不止，也為我們帶來(lái)更好的生活。當(dāng)然，筆者的觀點(diǎn)也存在一定的局限性，如果您有獨(dú)到的見(jiàn)解，也歡迎和我們交流。