延續(xù)摩爾定律：硬件和軟件界限愈發(fā)模糊

 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(dǎo)體公司的研發(fā)總監(jiān)，他已經(jīng)預(yù)測(cè)了家用計(jì)算機(jī)、電子腕表、自動(dòng)駕駛汽車以及“個(gè)人可移動(dòng)溝通設(shè)備”——手機(jī)的誕生，但1965年那篇關(guān)于后來被稱為“摩爾定律”的預(yù)測(cè)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(jì)算機(jī)行業(yè)發(fā)展的時(shí)間表，基于對(duì)仙童以及其他半導(dǎo)體企業(yè)的了解，摩爾預(yù)計(jì)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(gè)預(yù)測(cè)修改到更為現(xiàn)實(shí)的兩年加倍，隨后，上世紀(jì)70年代和80年代，隨著惠普個(gè)人電腦、Apple II計(jì)算機(jī)和IBM PC等個(gè)人消費(fèi)產(chǎn)品的誕生，行業(yè)對(duì)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(yù)言開始成真。

　　這樣的發(fā)展是很昂貴的，芯片處理能力的提升意味著將更多的電路集成到芯片中來，從而電子可以從中移動(dòng)地更快，這也對(duì)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(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的鼎盛時(shí)期，這并不是特別大的問題，企業(yè)發(fā)展出了一個(gè)可謂“自動(dòng)升級(jí)”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(chǔ)芯片——獲得大量收入，然后投錢去改進(jìn)工廠和設(shè)備，結(jié)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，很快這個(gè)市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)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(fù)雜，常常包含幾百個(gè)步驟，產(chǎn)品的升級(jí)意味著整個(gè)供應(yīng)商和設(shè)備商需要在對(duì)的時(shí)間同時(shí)完成升級(jí)?！叭绻阈枰?0個(gè)家供應(yīng)商而只有39家的產(chǎn)品有所升級(jí)，那么所有的事情都得停下來。” 德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校研究計(jì)算機(jī)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)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(diào)，全球半導(dǎo)體行業(yè)開始制作了第一次的行業(yè)研發(fā)規(guī)劃藍(lán)圖，目的是“讓所有人都能大致知道他們的進(jìn)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(guó)半導(dǎo)體行業(yè)1991年推出了這項(xiàng)藍(lán)圖和戰(zhàn)略，時(shí)任英特爾技術(shù)戰(zhàn)略總監(jiān)的加爾吉尼成為該協(xié)會(huì)主席，1998年，來自歐洲、日本、臺(tái)灣和韓國(guó)的半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)也都紛紛加入，該協(xié)會(huì)變成了國(guó)際組織。

　　“熱死亡”

　　全球半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)遇到的第一個(gè)大的問題并非突然出現(xiàn)，加爾吉尼在1989年就曾經(jīng)對(duì)此進(jìn)行過警告，然而問題來臨之時(shí)對(duì)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(huì)自動(dòng)解決，” 加州圣塔克拉拉第三個(gè)千年測(cè)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?！?/p>

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

　　這是一個(gè)很嚴(yán)重的問題，處理器運(yùn)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(duì)的計(jì)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(yùn)行速度加了上限，同時(shí)限制了產(chǎn)生的熱量，2004年以來，這個(gè)運(yùn)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(jìn)行提升，制造商對(duì)芯片內(nèi)部電路重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，每個(gè)芯片不再僅有一個(gè)處理器(或“內(nèi)核”)，而是兩個(gè)、四個(gè)甚至更多(現(xiàn)在的電腦和手機(jī)的芯片很多都是四核或者八核處理器)?？偟膩碚f，原本一個(gè)千兆赫的內(nèi)核現(xiàn)在可以分為四個(gè)250兆赫的內(nèi)核。不過，在現(xiàn)實(shí)中，要使用八個(gè)處理器，意味著一個(gè)問題需要被分成八個(gè)部分，很多算法很難甚至無法做到這一點(diǎn)，“如果有部分沒被利用，等于你的處理速度升級(jí)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(jìn)度上跟上了摩爾定律，現(xiàn)在的問題是，到2020年，當(dāng)微電路縮小到會(huì)受到量子效應(yīng)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?“我們還沒有解決方案，”參與制作新的行業(yè)規(guī)劃藍(lán)圖的一名工程師陳安(音譯)表示。

　　對(duì)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(jì)算，或者神經(jīng)形態(tài)計(jì)算(neuromorphic computing)，前者對(duì)于某些計(jì)算有潛力達(dá)到指數(shù)級(jí)的提升，后者則是模擬大腦神經(jīng)元的計(jì)算和處理方式。但是，這兩種范式目前仍還都存在實(shí)驗(yàn)室研究階段，而且很多研究人員認(rèn)為，量子計(jì)算只對(duì)某些特定領(lǐng)域有優(yōu)勢(shì)，而處理日常任務(wù)仍然是電子計(jì)算更優(yōu)。“想想吧，用量子計(jì)算去記賬是什么概念?” 加州伯克利勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)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(jì)算的范式，也有辦法，那就是尋求一種“毫伏開關(guān)”——一種在計(jì)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(fù)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(jìn)行計(jì)算(現(xiàn)在的硅材料是電子發(fā)生移動(dòng)來計(jì)算)。“當(dāng)你跳出現(xiàn)有的技術(shù)的限制，就會(huì)發(fā)展可供研究開發(fā)的領(lǐng)域非常多?！卑雽?dǎo)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(yàn)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(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呈立體的形狀?然而，現(xiàn)實(shí)中，這種方式目前只能用于純存儲(chǔ)類芯片，因?yàn)榇鎯?chǔ)類芯片不存在發(fā)熱過度的問題，它們的電路只在與存儲(chǔ)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(chǔ)芯片的一些設(shè)計(jì)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(chǔ)立方體”(Hybrid Memory Cube，類似“夾心餅干” )設(shè)計(jì)，就是將多層存儲(chǔ)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(huì)讓它們變得更熱，一種解決方案是將存儲(chǔ)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(huì)產(chǎn)生新的熱量)，將它們?cè)诩{米級(jí)別上一層一層堆起來做成3D。

　　這在現(xiàn)實(shí)中依然很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槟壳拔⑻幚砥骱痛鎯?chǔ)芯片的制造流程完全不同，無法在同一條流水線上進(jìn)行生產(chǎn)，要將它們堆起來，需要對(duì)芯片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面重新設(shè)計(jì)。但是，已經(jīng)有不少研究機(jī)構(gòu)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種混合的芯片架構(gòu)，可以將存儲(chǔ)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(tuán)隊(duì)認(rèn)為這種架構(gòu)的耗能將只有現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)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(zhàn)是，計(jì)算設(shè)備走向移動(dòng)化。

　　25年前，計(jì)算機(jī)的概念只包括臺(tái)式電腦和筆記本電腦，超級(jí)電腦和數(shù)據(jù)中心基本上使用的是和臺(tái)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(jì)算機(jī)的概念早已進(jìn)行了延伸，智能手機(jī)、平板電腦、智能手表和其他可穿戴設(shè)備等都是新的計(jì)算設(shè)備，而這些新式計(jì)算設(shè)備對(duì)處理器的需求與其前輩電腦差別非常大。

　　移動(dòng)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(duì)于微處理器的要求更高更嚴(yán)格，這對(duì)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(duì)于英特爾決定制造什么產(chǎn)品有巨大的影響。”

　　對(duì)于移動(dòng)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(jī)的語(yǔ)音電話、Wi-Fi連接、藍(lán)牙、GPS、感知觸摸、磁場(chǎng)甚至指紋識(shí)別都是要耗電的，而且，移動(dòng)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(gè)功能不快速把電池耗盡。

　　對(duì)于芯片制造商來說，這些特殊要求破壞了原本半導(dǎo)體行業(yè)的“自動(dòng)升級(jí)”的經(jīng)濟(jì)循環(huán)流程，從而對(duì)摩爾定律產(chǎn)生挑戰(zhàn)。“原本的市場(chǎng)是你只需制造幾種產(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(chǎng)里，你需要制造巨多種類的產(chǎn)品，每種只能買個(gè)幾十萬(wàn)件，所以，只有在設(shè)計(jì)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(shí)生產(chǎn)中，將不同的技術(shù)放到同一設(shè)備中和諧運(yùn)行簡(jiǎn)直就是噩夢(mèng)，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(yùn)行，需要新的架構(gòu)、新的模擬、新的開關(guān)等等來解決。”

　　對(duì)于那些能源管理的特殊功能電路，設(shè)計(jì)的流程更是無比緩慢和昂貴。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(tuán)隊(duì)正在對(duì)此進(jìn)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(yùn)營(yíng)工作，但是“如果你使用舊的設(shè)計(jì)方法的話，成本就太大了?！?/p>

　　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(jì)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(dá)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(zhǔn)確的影印石版機(jī)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(gè)成本僅有少數(shù)幾家廠商可以承受。而由移動(dòng)設(shè)備帶來的市場(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現(xiàn)有的成本，產(chǎn)品更新就會(huì)停止。”很多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，半導(dǎo)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，過去十年芯片行業(yè)成本的提升導(dǎo)致了企業(yè)間大量的重組并購(gòu)，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(tái)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(dǎo)體協(xié)會(huì)制造的行業(yè)研發(fā)藍(lán)圖也因此不再至關(guān)重要 。

　　美國(guó)的行業(yè)研究機(jī)構(gòu)src曾經(jīng)長(zhǎng)期支持行業(yè)發(fā)展藍(lán)圖，但是，三年前，src對(duì)此熱情不再，“因?yàn)槲覀兊臅?huì)員公司覺得這個(gè)藍(lán)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(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)SIA一起，希望推動(dòng)更加長(zhǎng)期的、基本的研究日程，并且爭(zhēng)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(guó)家戰(zhàn)略計(jì)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(jí)微處理器研究負(fù)責(zé)人謝加·博卡爾(Shekhar Borkar)對(duì)這一切卻持樂觀態(tài)度，他說：“雖然由于硅晶片的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)無法持續(xù)，摩爾定律正在走向終結(jié)，但是，從消費(fèi)者的角度來說，摩爾定律的含義其實(shí)表達(dá)的是他們將產(chǎn)品買到手中獲得的價(jià)值每?jī)赡暝诜?，從這個(gè)意義上講，只要這個(gè)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(shí)現(xiàn)它們。”