摩爾定律正式失效，半導體行業何去何從？
發布時間：2016/2/17 點擊數：7284
騰訊科技訊 2月16日消息，下個月，全球半導體行業將正式認可一個已經被討論許久的問題：從上世紀60年代以來一直在推動IT行業發展的摩爾定律正在走向終結。正式拋棄摩爾定律的半導體行業將何去何從？《自然》雜志近日發表文章對此進行了探討。
以下為文章主要內容編譯：
摩爾定律可以說是整個計算機行業最重要的定律，它其實是一個預言：每兩年微處理器的晶體管數量都將加倍——意味著芯片的處理能力也加倍。這種指數級的增長，促使上世紀70年代的大型家庭計算機轉化成80、90年代更先進的機器，然后又孕育出了高速度的互聯網、智能手機和現在的車聯網、智能冰箱和自動調溫器等。
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果，芯片制造商有意按照摩爾定律預測的軌跡發展：軟件開發商新的軟件產品日益挑戰現有設備的芯片處理能力，消費者需要更新為配置更高的設備，設備制造商趕忙去生產可以滿足處理要求的下一代芯片。上世紀90年代以來，半導體行業每兩年就會發布一份行業研發規劃藍圖，協調成百上千家芯片制造商、供應商跟著摩爾定律走，這樣的戰略，有時也被稱之為“更多摩爾”（More Moore），由于這份規劃藍圖的存在，整個計算機行業才跟著摩爾定律按部就班地發展。
但現在，這種發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慢慢下滑。此外，還有更多更大的問題也慢慢顯現，如今頂級的芯片制造商的電路精度已經達到14納米，比大多數病毒還要小。但是，全球半導體行業研發規劃藍圖協會主席保羅·加爾吉尼（ Paolo Gargini）表示：“到2020年，以最快的發展速度來看，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，這樣的設備，還能叫做一個‘設備’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，盡管這方面已經有無數研究，但目前人們仍然無法找到可以替代如今的硅片技術的新的材料或技術。
下個月發布的行業研究規劃藍圖將史無前例地不以摩爾定律為中心，相反，新的戰略可能是“超越摩爾”（More than Moore ）：與以往首先改善芯片、軟件隨后跟上的發展趨勢不同，以后半導體行業的發展將首先看軟件——從手機到超級電腦再到云端的數據中心——然后反過來看要支持軟件和應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備。
這種局勢的轉變，也改變了半導體行業圍繞摩爾定律不再團結一致。“大家都不確定新的研究規劃藍圖意味著什么，” 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 半導體行業協會（The Semiconductor Industry Association, SIA）代表所有美國半導體企業，已經表示不再參與全球半導體行業研究規劃藍圖的章程，而是自行決定研發進度。
盡管摩爾定律已經走向黃昏，但這并不意味著半導體行業停止了發展。丹尼爾·里德將之與飛機制造行業進行比較：“現在的波音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的創新體現在其他地方，比如全電子控制、碳纖維機身等，計算機行業也是如此，創新將會繼續，但是會體現在更細小和更復雜的地方。”
摩爾定律的誕生
在1965年那篇著名的論文發表之前，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總監，他已經預測了家用計算機、電子腕表、自動駕駛汽車以及“個人可移動溝通設備”——手機的誕生，但1965年那篇關于后來被稱為“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于未來計算機行業發展的時間表，基于對仙童以及其他半導體企業的了解，摩爾預計每年每芯片的晶體管和其他電子元件的數量都將加倍。
摩爾隨后在加州圣塔克拉拉創辦了英特爾，不過，在上述論文里，他顯然高估了芯片更新換代的速度，1975年，他將這個預測修改到更為現實的兩年加倍，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等個人消費產品的誕生，行業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。
這樣的發展是很昂貴的，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（即將電路等微元件蝕刻到硅表面的技術）的要求越來越高。但是，在半導體行業發展的鼎盛時期，這并不是特別大的問題，企業發展出了一個可謂“自動升級”的循環流程：通過大規模制造和銷售少數種類的芯片——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備，結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，很快這個市場驅動的模式也無法維持摩爾定律的高速度發展，芯片制造的過程變得過于復雜，常常包含幾百個步驟，產品的升級意味著整個供應商和設備商需要在對的時間同時完成升級。“如果你需要40個家供應商而只有39家的產品有所升級，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的經濟學家肯尼思·弗拉姆（ Kenneth Flamm）表示。
為了完成產業上下游的協調，全球半導體行業開始制作了第一次的行業研發規劃藍圖，目的是“讓所有人都能大致知道他們的進度應該到哪，如果在發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1991年推出了這項藍圖和戰略，時任英特爾技術戰略總監的加爾吉尼成為該協會主席，1998年，來自歐洲、日本、臺灣和韓國的半導體行業協會也都紛紛加入，該協會變成了國際組織。
“熱死亡”
全球半導體行業協會遇到的第一個大的問題并非突然出現，加爾吉尼在1989年就曾經對此進行過警告，然而問題來臨之時對行業還是造成了不小的沖擊：芯片變得太小。
“曾經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。”
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，設備商不再追求絕對的計算次數，也就是處理器執行指令的速度。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，制造商對芯片內部電路重新進行了設計，每個芯片不再僅有一個處理器（或“內核”），而是兩個、四個甚至更多（現在的電腦和手機的芯片很多都是四核或者八核處理器）。總的來說，原本一個千兆赫的內核現在可以分為四個250兆赫的內核。不過，在現實中，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，上述兩大措施的結合，還是保證了制造商在發展進度上跟上了摩爾定律，現在的問題是，到2020年，當微電路縮小到會受到量子效應影響的時候會發生什么情況？下一步會是什么樣子？“我們還沒有解決方案，”參與制作新的行業規劃藍圖的一名工程師陳安（音譯）表示。
對此，行業內并不是沒有想法，一種可能是去發展完全新的范式，比如量子計算，或者神經形態計算（neuromorphic computing），前者對于某些計算有潛力達到指數級的提升，后者則是模擬大腦神經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域有優勢，而處理日常任務仍然是電子計算更優。“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”——一種在計算速度上不亞于硅晶片，但發熱量顯著低于硅的材料。可行的方案包括了2D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來進行計算（現在的硅材料是電子發生移動來計算）。“當你跳出現有的技術的限制，就會發展可供研究開發的領域非常多。”半導體研究聯合體（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”，將表面已經蝕刻進電路的薄硅片堆積起來呈立體的形狀？然而，現實中，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 ）接觸的時候才產生能耗，而這種接觸發生的并不多。目前存儲芯片的一些設計就采用了這種方式，比如已經被三星、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據依然會產生新的熱量），將它們在納米級別上一層一層堆起來做成3D。
這在現實中依然很難實現，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，要將它們堆起來，需要對芯片的結構進行全面重新設計。但是，已經有不少研究機構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 ）和他的團隊已經設計出一種混合的芯片架構，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的耗能將只有現在的標準芯片耗能的千分之一或更低。
移動化
除了發熱，摩爾定律遇到的第二大挑戰是，計算設備走向移動化。
25年前，計算機的概念只包括臺式電腦和筆記本電腦，超級電腦和數據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，不過就是數量多了些。但是現在，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備等都是新的計算設備，而這些新式計算設備對處理器的需求與其前輩電腦差別非常大。
移動應用和數據都已經向云端的服務器轉移，云服務器對于微處理器的要求更高更嚴格，這對傳統的芯片制造商產生了很大影響，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品有巨大的影響。”
對于移動設備，電池續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，移動設備還需要內置特殊功能的電路，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的“自動升級”的經濟循環流程，從而對摩爾定律產生挑戰。“原本的市場是你只需制造幾種產品，但是每樣的銷量都有非常巨大的規模，”里德稱，“新的市場里，你需要制造巨多種類的產品，每種只能買個幾十萬件，所以，只有在設計和生產非常便宜的情況下才可以持續下去。”
而現實生產中，將不同的技術放到同一設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、新的模擬、新的開關等等來解決。”
對于那些能源管理的特殊功能電路，設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，他們覺得人們應該通過組合各種現有的帶有各種功能的電路創造新的設備，“就像搭樂高積木。” 阿爾伯托說，其挑戰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“如果你使用舊的設計方法的話，成本就太大了。”
芯片商如今最關心的可能就是成本問題了，“摩爾定律的終結不是技術問題，而是經濟問題。” 鮑特姆斯說，包括英特爾在內的一些公司，依然試圖在達到量子效應之前繼續縮小元件體積，但是，產品縮得越小，成本越高。
每次產品體積縮小一半，生產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線往往需要投入幾十億美元，這個成本僅有少數幾家廠商可以承受。而由移動設備帶來的市場碎片化，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有的成本，產品更新就會停止。”很多業內人士認為，半導體行業已經非常接近這個“產品更新停止”的階段。
是的，過去十年芯片行業成本的提升導致了企業間大量的重組并購，如今，世界上絕大多數的芯片生產線都屬于少數幾家企業比如英特爾、三星和臺積電等，這些芯片制造巨頭與原材料和設備供應商的關系密切，互相之間也開始協調發展，世界半導體協會制造的行業研發藍圖也因此不再至關重要 。
美國的行業研究機構src曾經長期支持行業發展藍圖，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和美國半導體行業協會SIA一起，希望推動更加長期的、基本的研究日程，并且爭取獲得聯邦基金的支持，最好是通過去年七月白宮發布的“國家戰略計算倡議”（National Strategic Computing Initiative）。
src和SIA自己的研究日程于去年九月份發布，提到了未來行業面臨的幾大問題，首先是能源效率——特別是“物聯網”帶來的耗能比較大的各類智能傳感器；其次設備聯網也是同等重要，連接云端的各類設備互相溝通需要大量的帶寬；最后是安全性，src和SIA呼吁行業開發新的抵御網絡攻擊和數據盜竊的安全措施。
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度，他說：“雖然由于硅晶片的指數級增長無法持續，摩爾定律正在走向終結，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，只要這個行業不斷為設備增加新的功能，摩爾定律就能持續下去。”
“而且，各種想法都已經有了，我們要做的只是去實現它們。”（木語）
