作者:宗华 来源:中国科学报 发布时间:2016/2/29 9:58:00
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别了,摩尔定律
半导体行业将发布以应用为导向的新路线图

图片来源:Rebecca Mock

自上世纪60年代起推动信息技术革命的原则——摩尔定律正走向终结。

下个月,全球半导体行业将正式承认对涉及其中的每个人来说都日趋明显的事情:自上世纪60年代起推动信息技术革命的原则——摩尔定律正走向终结。

作为一种控制计算的经验法则,摩尔定律认为,一颗微处理器芯片上的晶体管数量每两年左右将会翻番。而这通常意味着,芯片的性能也将提升一倍。该定律描述的指数级发展规律将上世纪70年代的第一批原始家用电脑转变成八九十年代的复杂机器,并且从那时起,促成了当下流行的高速互联网、智能手机以及同网络相连的汽车、冰箱和恒温控制器的兴起。

下个月即将发布的半导体行业路线图将首次部署一份未以摩尔定律为中心的研发计划。相反,它将遵循一种或许可被称为“超越摩尔定律”的战略:以应用——从智能手机、超级计算机到云数据中心——为开端,然后向下看需要什么样的芯片来支持它们,而非让芯片变得更好并使应用跟随其后。这些芯片将包括新一代传感器、电源管理电路和一个计算正日益移动化的世界所需要的其他硅器件。

过热之困

践行摩尔定律遇到的第一块绊脚石并不出人意料。路线图绘制机构主席Paolo Gargini和其他人早在1989年便对此提出警告。尽管如此,它带来的打击却是沉重的:东西变得太小。

“过去,无论我们何时将特征尺寸变小,好事总会自动发生。”位于美国加州圣克拉拉市的设备制造商“第三个千年测试解决方案”总裁Bill Bottoms表示,“芯片会变得更快,并且功耗降低。”

然而,本世纪初,当芯片的特征尺寸开始缩小到约90纳米以下时,这种自动产生的好处不再出现。随着电子在日益变小的硅电路中不得不移动得越来越快,芯片开始变得过热。

这是一个最基本的问题。发热很难避免,但没有人想买一部烫手的手机。Gargini介绍说,为此,生产商死死抓住仅有的救命稻草。首先,他们不再试图增加“时钟频率”,即微处理器执行指令的速度。这有效限制了芯片电子的速度,以及它们产生热量的能力。自2004年起,最大时钟频率一直没有变化。

其次,在速度受限的情况下,为让芯片沿着摩尔定律的性能曲线发展,生产商重新设计了内部电路,使每颗芯片含有2个、4个甚至更多处理器,或者说“核”。如今,四核和八核的台式电脑和智能手机已经非常普遍。Gargini表示,原则上讲,“你可以用4颗250兆赫的芯片和单颗1千兆赫的芯片,实现相同的输出值”。但实际上,利用8颗处理器意味着一个问题不得不被分解成8个部分,而这对于很多算法来说非常困难,甚至不可能。

即便如此,当和创新性的重新设计结合起来以弥补电子泄漏和其他效应时,这两种解决方法使芯片生产商得以继续缩减电路尺寸,并且遵照摩尔定律,继续提升晶体管数量。现在的问题在于,到本世纪20年代初,由于量子效应的影响,利用硅实现尺寸的持续缩减已不再可能时,将会发生什么?下一步该何去何从?“我们仍在苦苦追寻解决方法。”来自国际芯片生产商——格罗方德的电气工程师、新路线图下属委员会主席An Chen表示。

走向移动化

对于摩尔定律来说,第二块绊脚石更多的是让人们始料未及,但几乎和第一块绊脚石同时出现:计算正走向移动化。

25年前,计算是由台式机和笔记本电脑的需求来定义的。同时,超级计算机和数据中心基本上利用相同的微处理器,只是以更多的数量被打包在一起。如今,计算越来越多地由高端智能手机和平板电脑所做的事情来定义,更不要说智能手表和其他可穿戴设备,以及从桥梁到人体的一切事物中安装的数量呈爆发式增长的智能设备。这些移动设备的侧重点同其更加静态的“表亲”相比完全不同。

对于移动设备来说,更关键之处在于如何在同周围环境和使用者互动的同时,维持更长的电池续航能力。一部典型智能手机中的芯片必须发送并接收语音呼叫、Wi-Fi、蓝牙和全球定位系统产生的信号。同时,它们还要感知触摸、距离、加速度、磁场,甚至是指纹。不仅如此,智能手机必须拥有管理电池的专用电路,以保证所有这些功能不会将电量耗尽。

对于很多专用电路而言,设计仍是一件家庭作坊式的事情,而这意味着效率低、花费高。在加州大学伯克利分校,电气工程师Alberto Sangiovanni-Vincentelli和同事正试图改变这一点。在他们看来,人们应通过将大量拥有已知功能的现有电路组合起来,创造新的设备,而非每次都从头开始设计。“这就像利用乐高积木。”Sangiovanni-Vincentelli认为,确保积木共同工作是一项挑战,但“如果你利用更老的设计方法,成本将会过高”。

并不令人惊讶的是,成本是芯片生产商近年来非常关注的问题。“摩尔定律的终结并非技术问题,而是一个经济问题。”Bottoms表示,一些公司尤其是因特尔,在撞到量子效应形成的墙壁前仍试图缩减组件尺寸。然而,“我们将尺寸缩减得越多,成本就会越高”。

保持乐观

的确,过去十年间不断增加的成本迫使芯片生产行业出现大规模整合。目前,全球大多数生产线属于诸如因特尔、三星、台积电等少数跨国公司。这些生产巨头同为其供应材料和制造设备的公司形成了紧密的关系。它们已经达成统一战线,并且发现摩尔定律描绘的路线图已没有多大用处。

以美国半导体行业研究机构——半导体研究公司(SRC)为例,它是路线图的长期支持者。但SRC副总裁Steven Hillenius介绍说,在约3年前,SRC放弃了对路线图的贡献,因为成员公司从中已看不到价值。SRC和位于华盛顿的半导体行业协会想推动建立一个更加长远、基础的研究议程,并且确保联邦政府为此提供资助——或许通过白宫在去年7月发起的“国家战略计算计划”。

该议程在去年9月的一份报告中得以布局,并且概述了未来将面临的研究挑战。能效是迫切需要解决的重点问题。尤其是对于组成物联网的嵌入式智能传感器来说,将需要利用来自外界热量和振动的能量,使其在没有电池的情况下仍能工作的新技术。连接性同样至关重要:几十亿台分散的设备试图相互联系,而云端将需要大量带宽。解决办法在于研究人员能充分利用红外光谱深处曾经无法企及的太赫兹波段。同时,安全也非常关键。报告呼吁研究新方法,以建立对抗黑客攻击和数据窃取的保障措施。

这些重点任务和其他问题将让研究人员接下来有很多工作要做。至少包括因特尔先进微处理器研究负责人Shekhar Borkar在内的一些行业内部人士对此保持着乐观态度。他说,的确,从字面上理解,摩尔定律正在终结,因为晶体管数量的指数级增长已无法继续下去。不过,从消费者的角度来说,“摩尔定律只是在简单地描述这样一个事实:用户价值每隔两年便会翻番”。通过这种形式,摩尔定律将继续下去,只要半导体行业能持续用各种新功能填满其设备。(宗华)

《中国科学报》 (2016-02-29 第3版 国际)
 
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2016/2/29 20:29:07 qims
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