摩尔定律正式失效 半导体行业何去何从?
2月16日消息下个月全球半导体行业将正式认可一个已经被讨论许久的问题从上世纪60年代以来一直在推动IT行业发展的摩尔定律正在走向终结正式抛弃摩尔定律的半导体行业将何去何从?《自然》杂志近日发表文章对此进行了探讨
以下为文章主要内容编译
摩尔定律可以说是整个计算机行业最重要的定律它其实是一个预言每两年微处理器的晶体管数量都将加倍意味着芯片的处理能力也加倍这种指数级的增长促使上世纪70年代的大型家庭计算机转化成8090年代更先进的机器然后又孕育出了高速度的互联网智能手机和现在的车联网智能冰箱和自动调温器等
这个看起来自然而然的进程实际很大程度也是人类有意控制的结果芯片制造商有意按照摩尔定律预测的轨迹发展软件开发商新的软件产品日益挑战现有设备的芯片处理能力消费者需要更新为配置更高的设备设备制造商赶忙去生产可以满足处理要求的下一代芯片上世纪90年代以来半导体行业每两年就会发布一份行业研发规划蓝图协调成百上千家芯片制造商供应商跟着摩尔定律走这样的战略有时也被称之为更多摩尔More Moore由于这份规划蓝图的存在整个计算机行业才跟着摩尔定律按部就班地发展
但现在这种发展轨迹要告一段落了由于同样小的空间里集成越来越多的硅电路产生的热量也越来越大这种原本两年处理能力加倍的速度已经慢慢下滑此外还有更多更大的问题也慢慢显现如今顶级的芯片制造商的电路精度已经达到14纳米比大多数病毒还要小但是全球半导体行业研发规划蓝图协会主席保罗加尔吉尼 Paolo Gargini表示到2020年以最快的发展速度来看我们的芯片线路可以达到2-3纳米级别然而在这个级别上只能容纳10个原子这样的设备还能叫做一个‘设备’吗?
恐怕不能到了那样的级别电子的行为将受限于量子的不确定性晶体管将变得不可靠在这样的前景下尽管这方面已经有无数研究但目前人们仍然无法找到可以替代如今的硅片技术的新的材料或技术
下个月发布的行业研究规划蓝图将史无前例地不以摩尔定律为中心相反新的战略可能是超越摩尔More than Moore 与以往首先改善芯片软件随后跟上的发展趋势不同以后半导体行业的发展将首先看软件从手机到超级电脑再到云端的数据中心然后反过来看要支持软件和应用的运行需要什么处理能力的芯片来支持由于新的计算设备变得越来越移动化新的芯片中可能会有新的一代的传感器电源管理电路和其他的硅设备
这种局势的转变也改变了半导体行业围绕摩尔定律不再团结一致大家都不确定新的研究规划蓝图意味着什么 爱荷华大学计算机科学家丹尼尔里德Daniel Reed表示位于华盛顿DC的 半导体行业协会The Semiconductor Industry Association, SIA代表所有美国半导体企业已经表示不再参与全球半导体行业研究规划蓝图的章程而是自行决定研发进度
尽管摩尔定律已经走向黄昏但这并不意味着半导体行业停止了发展丹尼尔里德将之与飞机制造行业进行比较现在的波音787并不比上世纪50年代的波音707快多少但这两个型号的飞机可差太多了波音787的创新体现在其他地方比如全电子控制碳纤维机身等计算机行业也是如此创新将会继续但是会体现在更细小和更复杂的地方
摩尔定律的诞生
在1965年那篇著名的论文发表之前戈登摩尔Gordon Moore 是位于加州圣何塞的仙童半导体公司的研发总监他已经预测了家用计算机电子腕表自动驾驶汽车以及个人可移动沟通设备手机的诞生但1965年那篇关于后来被称为摩尔定律的预测的论文真正使他名声大噪这篇论文的核心是关于未来计算机行业发展的时间表基于对仙童以及其他半导体企业的了解摩尔预计每年每芯片的晶体管和其他电子元件的数量都将加倍
摩尔随后在加州圣塔克拉拉创办了英特尔不过在上述论文里他显然高估了芯片更新换代的速度1975年他将这个预测修改到更为现实的两年加倍随后上世纪70年代和80年代随着惠普个人电脑Apple II计算机和IBM PC等个人消费产品的诞生行业对芯片的处理能力要求越来越高体积要求越来越小摩尔的预言开始成真
这样的发展是很昂贵的芯片处理能力的提升意味着将更多的电路集成到芯片中来从而电子可以从中移动地更快这也对影印石版术即将电路等微元件蚀刻到硅表面的技术的要求越来越高但是在半导体行业发展的鼎盛时期这并不是特别大的问题企业发展出了一个可谓自动升级的循环流程通过大规模制造和销售少数种类的芯片主要是处理器和存储芯片获得大量收入然后投钱去改进工厂和设备结果是在提升芯片性能的同时仍能降低价格因此市场的需求也获得进一步提升
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不过很快这个市场驱动的模式也无法维持摩尔定律的高速度发展芯片制造的过程变得过于复杂常常包含几百个步骤产品的升级意味着整个供应商和设备商需要在对的时间同时完成升级如果你需要40个家供应商而只有39家的产品有所升级那么所有的事情都得停下来 德克萨斯州大学奥斯汀分校研究计算机行业的经济学家肯尼思弗拉姆 Kenneth Flamm表示
为了完成产业上下游的协调全球半导体行业开始制作了第一次的行业研发规划蓝图目的是让所有人都能大致知道他们的进度应该到哪如果在发展过程中遇到问题也可以警告所有同行 保罗加尔吉尼表示美国半导体行业1991年推出了这项蓝图和战略时任英特尔技术战略总监的加尔吉尼成为该协会主席1998年来自欧洲日本中国台湾和韩国的半导体行业协会也都纷纷加入该协会变成了国际组织
热死亡
全球半导体行业协会遇到的第一个大的问题并非突然出现加尔吉尼在1989年就曾经对此进行过警告然而问题来临之时对行业还是造成了不小的冲击芯片变得太小
曾经只要我们可以将所有的东西都缩小问题就会自动解决 加州圣塔克拉拉第三个千年测试解决方案Third Millennium Test Solutions公司的CEO比尔鲍特姆斯Bill Bottoms表示芯片会变得更快耗能更少
但是到了本世纪初微电路缩小到90纳米以下的时候上述自动解决的方式开始不再灵光随着越来越小的硅电路里的电子移动越来越快芯片开始变得过热
这是一个很严重的问题处理器运行产生的热量很难消除所以芯片制造商选择了他们仅有的解决办法加尔吉尼说设备商不再追求绝对的计算次数也就是处理器执行指令的速度这样等于给芯片的电子运行速度加了上限同时限制了产生的热量2004年以来这个运行速度的上限从没变过
第二虽然速度无法再提升但为了将芯片性能按照摩尔定律进行提升制造商对芯片内部电路重新进行了设计每个芯片不再仅有一个处理器或内核而是两个四个甚至更多现在的电脑和手机的芯片很多都是四核或者八核处理器总的来说原本一个千兆赫的内核现在可以分为四个250兆赫的内核不过在现实中要使用八个处理器意味着一个问题需要被分成八个部分很多算法很难甚至无法做到这一点如果有部分没被利用等于你的处理速度升级还是受到了限制 加尔吉尼说
尽管如此上述两大措施的结合还是保证了制造商在发展进度上跟上了摩尔定律现在的问题是到2020年当微电路缩小到会受到量子效应影响的时候会发生什么情况?下一步会是什么样子?我们还没有解决方案参与制作新的行业规划蓝图的一名工程师陈安音译表示
对此行业内并不是没有想法一种可能是去发展完全新的范式比如量子计算或者神经形态计算neuromorphic computing前者对于某些计算有潜力达到指数级的提升后者则是模拟大脑神经元的计算和处理方式但是这两种范式目前仍还都存在实验室研究阶段而且很多研究人员认为量子计算只对某些特定领域有优势而处理日常任务仍然是电子计算更优想想吧用量子计算去记账是什么概念? 加州伯克利劳伦斯国家实验室的负责人约翰莎尔福John Shalf说
寻找其他材料
如果一定要保留电子计算的范式也有办法那就是寻求一种毫伏开关一种在计算速度上不亚于硅晶片但发热量显著低于硅的材料可行的方案包括了2D类石墨烯复合材料到自旋电子材料spintronic materials 后者可以通过让电子快速旋转来进行计算现在的硅材料是电子发生移动来计算当你跳出现有的技术的限制就会发展可供研究开发的领域非常多半导体研究联合体Semiconductor Research Corporationsrc的物理学家托马斯西斯 Thomas Theis表示
然而这些方案目前也都仅限于实验室研究阶段目前行业里仍未找到可以完全替代硅的材料于是不少研究人员开始在保留硅材料的前提下想办法也就是从架构的角度将硅材料以全新的方式进行配置比如走向3D既然可以将电路蚀刻到硅平面的表面为何不试试打造成摩天大楼将表面已经蚀刻进电路的薄硅片堆积起来呈立体的形状?然而现实中这种方式目前只能用于纯存储类芯片因为存储类芯片不存在发热过度的问题 它们的电路只在与存储单元 memory cell 接触的时候才产生能耗而这种接触发生的并不多目前存储芯片的一些设计就采用了这种方式比如已经被三星美光科技使用的混合存储立方体Hybrid Memory Cube类似夹心饼干 设计就是将多层存储硅晶片堆起来
微处理器要做成3D的难度就大很多将一层又一层的发热物体堆积起来只会让它们变得更热一种解决方案是将存储和微处理器芯片完全分开至少可以分走50%的热量虽然在两者之间传递数据依然会产生新的热量将它们在纳米级别上一层一层堆起来做成3D
这在现实中依然很难实现因为目前微处理器和存储芯片的制造流程完全不同无法在同一条流水线上进行生产要将它们堆起来需要对芯片的结构进行全面重新设计但是已经有不少研究机构正在朝这个方向努力并且有希望可以成功比如斯坦福大学的电子工程师苏哈斯施米特拉Subhasish Mitra 和他的团队已经设计出一种混合的芯片架构可以将存储单元和碳纳米管做成的晶体管上下堆到一起每层之间可以传递电流米特拉的团队认为这种架构的耗能将只有现在的标准芯片耗能的千分之一或更低
移动化
除了发热摩尔定律遇到的第二大挑战是计算设备走向移动化
25年前计算机的概念只包括台式电脑和笔记本电脑超级电脑和数据中心基本上使用的是和台式和笔记本电脑一样的微处理器不过就是数量多了些但是现在计算机的概念早已进行了延伸智能手机平板电脑智能手表和其他可穿戴设备等都是新的计算设备而这些新式计算设备对处理器的需求与其前辈电脑差别非常大
移动应用和数据都已经向云端的服务器转移云服务器对于微处理器的要求更高更严格这对传统的芯片制造商产生了很大影响里德举例说谷歌微博和亚马逊要买什么对于英特尔决定制造什么产品有巨大的影响
对于移动设备电池续航能力的重要性更加凸显典型的智能手机的语音电话Wi-Fi连接蓝牙GPS感知触摸磁场甚至指纹识别都是要耗电的而且移动设备还需要内置特殊功能的电路用来管理电源和能耗以保证以上各个功能不快速把电池耗尽
对于芯片制造商来说这些特殊要求破坏了原本半导体行业的自动升级的经济循环流程从而对摩尔定律产生挑战原本的市场是你只需制造几种产品但是每样的销量都有非常巨大的规模里德称新的市场里你需要制造巨多种类的产品每种只能买个几十万件所以只有在设计和生产非常便宜的情况下才可以持续下去
而现实生产中将不同的技术放到同一设备中和谐运行简直就是噩梦鲍特姆斯称要将不同的配件不同的材料电子光子等打包到一起和谐运行需要新的架构新的模拟新的开关等等来解决
对于那些能源管理的特殊功能电路设计的流程更是无比缓慢和昂贵在加州大学伯克利分校电子工程师阿尔伯托圣乔瓦尼-文森特利Alberto Sangiovanni-Vincentelli 及其团队正在对此进行改变他们觉得人们应该通过组合各种现有的带有各种功能的电路创造新的设备就像搭乐高积木 阿尔伯托说其挑战就在于如何让这些积木搭起来之后能够各自运营工作但是如果你使用旧的设计方法的话成本就太大了
芯片商如今最关心的可能就是成本问题了摩尔定律的终结不是技术问题而是经济问题 鲍特姆斯说包括英特尔在内的一些公司依然试图在达到量子效应之前继续缩小元件体积但是产品缩得越小成本越高
每次产品体积缩小一半生产商就需要全新的更准确的影印石版机器如今建立一条全新的生产线往往需要投入几十亿美元这个成本仅有少数几家厂商可以承受而由移动设备带来的市场碎片化使得筹集这样的资金更加困难一旦下一代的每晶体管成本超过现有的成本产品更新就会停止很多业内人士认为半导体行业已经非常接近这个产品更新停止的阶段
是的过去十年芯片行业成本的提升导致了企业间大量的重组并购如今世界上绝大多数的芯片生产线都属于少数几家企业比如英特尔三星和台积电等这些芯片制造巨头与原材料和设备供应商的关系密切互相之间也开始协调发展世界半导体协会制造的行业研发蓝图也因此不再至关重要
美国的行业研究机构src曾经长期支持行业发展蓝图但是三年前src对此热情不再因为我们的会员公司觉得这个蓝图没那么有用了src的副总裁斯蒂文希勒尼斯 Steven Hillenius表示src和美国半导体行业协会SIA一起希望推动更加长期的基本的研究日程并且争取获得联邦基金的支持最好是通过去年七月白宫发布的国家战略计算倡议National Strategic Computing Initiative
src和SIA自己的研究日程于去年九月份发布提到了未来行业面临的几大问题首先是能源效率特别是物联网带来的耗能比较大的各类智能传感器;其次设备联网也是同等重要连接云端的各类设备互相沟通需要大量的带宽;最后是安全性src和SIA呼吁行业开发新的抵御网络攻击和数据盗窃的安全措施
英特尔的高级微处理器研究负责人谢加博卡尔Shekhar Borkar对这一切却持乐观态度他说虽然由于硅晶片的指数级增长无法持续摩尔定律正在走向终结但是从消费者的角度来说摩尔定律的含义其实表达的是他们将产品买到手中获得的价值每两年在翻番从这个意义上讲只要这个行业不断为设备增加新的功能摩尔定律就能持续下去
而且各种想法都已经有了我们要做的只是去实现它们
