摩尔定律时代即将落幕

编者按：芯片业喊“狼来了”已经有将近20年了，但摩尔定律似乎每一次都能化险为夷，维持存在。但是这次不一样了，随着产业在技术、经济层面摸到的天花板越来越多，自1960年代以来为信息革命提供动力的字面意义上的摩尔定律可能下个月就要正式终结了。不过，从摩尔定律所反映的价值来看，摩尔定律并没有死，只是换了一个化身而已。来自自然杂志的这篇文章回顾了摩尔定律的光辉历史，并总结了让摩尔定律重生的未来路线。对于正在致力打造半导体超级大国的中国来说，这篇文章值得好好思考一下我们的努力方向。

半导体业很快就会放弃追求摩尔定律的努力，不过现在事情可以变得更加有趣。

下个月，全球半导体业将正式承认一个对于牵涉其中所有人来说已经变得越来越明显的事实：自1960年代以来为信息革命提供动力的摩尔定律已接近终结。

作为统治计算的一个概测法则，摩尔定律指出，微处理器芯片上的晶体管数量大概每两年左右就会翻番—通常这意味着芯片的性能也会有相应提升。该定律描述的指数式改进将1970年代第一代做工粗糙的家庭计算机变成了1980年代和1990年代的精致机器，高速互联网、智能手机以及联网汽车、冰箱和恒温器也因此崛起并变成今日的无所不在。

不过所有这些都不是必然的：那是因为芯片制造商处心积虑地选择了维持摩尔定律的轨迹。每一阶段软件开发者都会推出榨干现有芯片能力的应用，让消费者呼唤更多的设备，然后制造商争先恐后地用下一代芯片来满足这种需求。实际上自1990年代以来，半导体行业每2年就会发布一份研究路线图来协调成百上千的制造商和供应商的步调与摩尔定律保持一致—这种策略有时候被戏称为More Moore（更多的摩尔）。计算机的发展遵循该定律的指数式增长很大程度上要得益于这份路线图。

但这种情况持续不了多久了。由于越来越多的硅电路挤到同样大小的一小块区域，不可避免的发热问题使得摩尔定律的翻番速度已成强弩之末。而且在10年之内摩尔定律还将触碰到更多的天花板，那些局限性甚至是更根本性的。目前顶级的微处理器的硅电路器件特征尺寸大概是14纳米，这已经比大多数病毒还要小了。不过到了2020年代初时，制定摩尔定律路线图组织的主席Paolo Gargini说，“哪怕是采取极具攻击性的做法，我们也将达到2-3纳米的限制，那时候特征尺寸仅有10个原子大小了。这还算是设备吗？”也许不能算了—因为小到这种规模的情况下，电子行为户受到量子不确定性的控制，这会导致晶体管的不可靠，甚至不可靠到了令人绝望的地步。尽管进行锲而不舍的研究，但今日的硅晶技术尚无明显的成功者。

下月发布的路线图推出的将是第一份不以摩尔定律为中心的研发计划。相反，它遵循的将是所谓的More than Moore（超越摩尔）战略：它的目标不是造出更好的芯片然后让应用跟进，而是反过来，从应用开始—从智能手机和超级计算机以及云端数据中心开始一路向下，看看需要什么样的芯片来支持。这些芯片当中会有新一代的传感器、电能管理电路，以及其他一些计算日益移动化的世界所需的硅设备。

版图的变动反过来也会瓦解该行业一直追求摩尔定律的长期传统。“每个人都在质疑这份路线图的实际意义，”爱荷华大学的计算机科学家Daniel Reed如是说。代表美国主要相关机构的半导体工业协会（SIA）已经表示，一旦报告发布后将停止参与路线图的制定，并转向寻求自己的研发议程。

不过大家都同意摩尔定律的日薄西山并不意味着进展的停滞。“我们可以看看飞机业发生的事，”Reed说：“波音787并没有比1950年代的707飞得更快—但二者却是非常不同的飞机，”其中已经进行了大量创新，从全电控到碳纤维机身，不一而足。计算机的情况也会这样，他说：“创新绝对还会继续—但这种创新会更细微更复杂。”

放弃定律

1965年的那篇令戈登·摩尔扬名天下的文章以思考当时尚属新技术的集成电路能做些什么为开头。摩尔当时是仙童半导体公司的研究总监，他当时就预测到了家庭计算机、数字腕表、自动汽车以及“个人便携式通信设备”—移动手机等东西的出现。那篇文章的中心正是摩尔为这样一种未来提供一份时间表的努力。他把实现计算数字化的开关装置—晶体管作为衡量微处理器计算能力的指标。在所在公司和其他公司前几年取得成就的基础上，他估算出每块芯片上的晶体管和其他一些电子器件的数量每年将会翻1番。

后来与人联合创办了英特尔的摩尔低估了翻番所需的时间，1975年，他把这一时间修正为更加现实的2年。但是他的愿景是完全正确的。1970、1980年代，随着惠普手持计算器、苹果Apple II以及UBM PC等配置了微处理器消费者产品的出现，他所预测的未来变成了现实。对此类产品的需求很快开始爆发，而制造商则争相开发出尺寸越来越小能力越来越强的芯片来满足这种需求。

这种代价是高昂的。改进微处理器的性能意味着要按比例缩小电路元素的尺寸以便在芯片上封装更多的电路，并且让电子的转移更加快速。但缩小尺寸需要对光刻术（一项将微元素蚀刻到硅表面上的基本技术）进行重大改进。但是在芯片业繁荣时期这基本不算什么难事：一个自我强化的周期开始了。鉴于芯片的通用性如此之强，以至于制造商只需制造几种类型—主要是处理器和内存，就能够大量卖出去。这让厂商获得了足够的资金，在弥补升级生产设备的成本的同时还能降低价格，从而又进一步刺激了需求的增长。

不过这种市场驱动的周期很快被证明难以维系摩尔定律无情的节律。芯片制造过程太过复杂，由于牵涉到数百道流程，也就意味着每缩小一次规模都需要一系列的材料供应商和设备制造商在合适的时间实现适当的升级。“如果你需要40种设备但只有39种就绪，那一切也都要停下来，”德州大学奥斯汀分校研究计算机产业的经济学家Kenneth Flamm说。

为了进行产业协调，半导体业开始制定第一份路线图。Gargini说他们的设想是让“大家对自己要做什么都有一个粗略的估计，并且在看到前面有路障时发出警报。”1991年美国半导体工业开始了第一份路线图绘制的努力，来自各家公司的数百位工程师一起拟定了第一份报告及后续迭代，由当时是英特尔技术战略总监的Gargini担任主席。1998年这项工作变成了国际半导体技术发展蓝图，欧洲、日本、台湾地区及韩国等地的行业协会也开始参与进来（今年的报告将更换新名称，叫做设备与系统国际路线图，International Roadmap for Devices and System）。

Flamm说：“这份路线图是一项非常有趣的实验。据我所知，像这样把每一家制造商、供应商凝聚在一起，指导未来要做什么事情的，任何其他行业都没有过这种的先例。”从效果来看，它把摩尔定律从一项经验观测转变成了自我实现的预言：新的芯片之所以遵循该定律是因为行业的努力确保了芯片如此。

一切都工作得非常好，直到有一天再也做不到。

高温死亡

第一快绊脚石并不算出乎意料。Gargini等人早在1989年就提出过警告，但大家还是撞了个结结实实—其原因是东西太小了。

“过去往往是只要我们把特征尺寸做得更小以后，好事情就会自动发生,” Third Millennium Test Solutions总裁Bill Bottoms说：“芯片会跑得更快，功耗更低。”

不过到了2000年代初期，当特征尺寸缩小到90纳米以下时，这种自动的神奇魔力开始失效了。随着电子在尺寸越来越小的硅电路跑得越来越快，芯片开始变得过热。

这个问题是根本性的。热量是很难干掉的，烫手的手机没人想要。所以制造商唯有抓住手上唯一的救命稻草，Gargini说。首先，他们停止了提高“时钟频率”（超频，指提高微处理器执行指令的速率）的努力。这么做可以有效地对芯片电子的运行速度加以限制，同时也就限制了其发热的能力。自2004年以来最大时钟频率就一直没变过了。

其次，为了确保芯片性能在有速度限制的情况下仍遵循摩尔定律，他们重新设计了内部电路，这样单块芯片不再只包含一个处理器，或者说“内核”，而是2个、4个甚至更多（在当今的计算机和智能手机中，4核或者8核都是很常见的）。Gargini说，从原则上来说，“用4块主频250MHZ的内核可以得到跟一块主频1GHZ的内核同样的输出”。不过在实际应用时，要想利用上8个内核处理器意味着要把问题分解为8小块—这对于许多算法来说难度太大甚至是不可能的。“无法并行化的部分会限制你的改进，” Gargini说。

即便如此，在结合了富有创意的重新设计来弥补电子泄露等效应后，这两个解决方案让芯片制造商得以继续缩小电路尺寸，设法让晶体管数量跟上摩尔定律的曲线轨迹。现在的问题是到了2020年代初期，当尺寸缩小因为量子效应而难以为继时会发生什么事情。接下来又该怎么办？国际芯片制造商GlobalFoundries的电子工程师，同时是新路线图的编制委员会主席的An Chen 说：“我们还在努力。”。

还在努力的原因并不是由于缺少创意。他们想到的可能解决方案之一是拥抱一种全新的范式—比如像量子计算，这种计算模型有望为特定计算类型带来指数性的速度增长；或者神经形态计算，其目标是对大脑神经元的处理要素建模。但是这些替代性计算模型尚未真正走出实验室。而且许多研究人员认为量子计算只是在少量利基应用中体现出优势，而不是数字计算所擅长的日常任务。“”劳伦斯伯克利国家实验室计算机科学研究的负责人John Shalf在思考的问题是：“对于支票本来说，量子平衡究竟意味着什么呢？”

材料差异

还有一种办法的确仍坚守在数字化的阵地，这种办法的目标是要找一种“毫伏开关”：要找到一种能够运用到设备上的材料，这种材料在速度上至少要能够跟它的硅同行匹敌，但同时发热却少很多。候选的材料倒不少，从2D类石墨烯复合物到自旋电子材料都能够通过电子自旋而不是电子移动来完成计算。“一旦迈出已有技术的范畴，外面就是一片待研究开发的广阔天地，”半导体研究公司（SRC）负责纳电子学研究行动的物理学家Thomas Theis说。

不幸的是，目前同样也还没有任何毫伏开关走出实验室。所以有人又提出了架构化的改进办法：还是用硅，但是采用全新的配置方式。热门的方案之一是3D化。摒弃过去在硅片表面蚀刻电路盖平房的做法，转而起摩天大楼：把许多蚀刻上微电路的硅薄层堆叠起来。从原则而言，这种做法应该能够在同样的空间内集中更多的计算资源。但实际上这种做法目前只对没有发热问题的内存芯片有效：它们采用的电路只是在存储单元被访问到时才会耗电，而某个存储单元被访问到并不是经常的事情。混合存储立方体设计就是这种做法的案例之一，这种内存堆叠了多至8层内存，目前由三星和美光技术组成产业财团正在推动这种方案。

但是微处理器面临的挑战更多：一层层的堆叠发热的东西只会让它们更热。不过有个办法可以绕开这一问题，那就是废弃内存和处理器分开的做法，这可以有效缓解发热—至少可以减少50%，因为机器发热量的50%正是由于处理器和内存之间数据的来回交换而引起的。把内存和处理器集成到纳米级的高楼大厦内就可以干掉这部分发热了。

但是这种办法实现起来是相当棘手的，尤其是在当代的微处理器和内存芯片差异很大的情况下，这两样东西很难在同一条生产线上装配出来；而把它们堆叠起来又需要对芯片架构进行彻底的重新设计。不过若干研究团体还是希望能够实现这种办法。斯坦福大学的电子工程师Subhasish Mitra和他的同事已经开发出了一种混合架构，这种架构能够将内存单元和由碳纳米管制成的晶体管堆叠起来，后者还负责电流在不同层之间的流动。该小组认为这种架构能够把电耗降低到标准芯片的千分之一以下。

移动化

摩尔定律的另一块绊脚石略为出乎意外，但遭遇到这块绊脚石的时间跟第一块大抵相同，这块绊脚石是：计算的移动化。

25年前，计算是由桌面计算机和笔记本的需求来定义的；超级计算机和数据中心采用的基本上是跟它们一样的微处理器，只是打包到一起的数量要多得多。但现在不是这样了。今天的计算越来越多的是由高端智能手机和平板电脑说了算，以及日渐兴起的智能手表等可穿戴设备，乃至于从冰箱到人体监测等众多数量呈爆发之势的智能设备。这些移动设备的需求跟他们那些久坐不动的表亲的是很不一样的。

维系摩尔定律这项任务只能排在他们任务清单很后面的位置—尤其是在移动应用和数据的处理负荷基本上已经转移到全球的服务器群网络（也即所谓的云）上的情况下。那些服务器群现在统治着的确仍遵循摩尔定律的强大的、先进的微处理器的市场。“Google和Amazon的购买决定对英特尔决定做什么具有巨大影响，”Reed说。

对于移动来说，能保证移动设备与环境和用户交互的电池续航时间要关键得多。典型智能手机里面的芯片在进行语音通话、使用Wi-fi、蓝牙以及GPS时都必须收发信号，与此同时还要感应触摸、距离、加速、磁场，甚至还包括指纹。在此之上，设备必须有一个套专门的电路负责电能管理，一面那些功能耗光电池储能。

对于芯片制造商来说，这种问题的特殊性正在挖掘出一个与维系摩尔定律运转类似的自我强化的经济周期。“过去的市场是做出来的东西类型很少，但是卖出去的数量很多，”Reed说：“而新市场是你得做很多东西，但每样只能卖一点—所以设计和组装最好还是要保证成本低廉。”

这些都是持续的挑战。把独立的制造技术糅合到一起，让它们在一个设备上和平共处往往是场噩梦，Bottom说，他在新路线图委员会中负责的正是这个专题：“不同的部件，不同的材料、电子、光电等统统打包在一起—这些问题都必须考新额架构、新的仿真、新的开关等来解决。”

对于许多专门电路来说，设计仍然处于手工作坊时代—这意味着时间久成本高。加州大学伯克利分校的电子工程师Alberto Sangiovanni-vincentelli和他的同事正试图改变这一点：他们不再打算每次都从头做起，认为大家应该可以通过组合现有电路的一大块也即所谓的功能化来创造出新设备。“这就好比搭乐高积木块一样，” Sangiovanni-Vincentelli说。确保积木能协同工作是个挑战，不过“如果你采用的是老一点的设计方法，成本是不会太高的。”

毫无疑问，成本是芯片制造商最近很关心的问题。“摩尔定律的终结不是技术问题，而是经济问题，”Bottom说。一些公司，尤其是英特尔，在碰到量子效应的天花板之前仍然打算继续缩小元件尺寸，他说。但是“尺寸缩得越小，成本就越高。”

每把尺寸减少一半，制造商都需要有全新一代的更精确的光刻机器。现在建造一条新的生产线往往需要数十亿美元的投资—这么多的钱只有少数公司能付得起（注：还要加上中国的倾国之力）。但是移动设备引发的市场碎片化导致投资回收更加困难。“只要下一个芯片的每晶体管成本超过现有成本，”Bottom说：“瘦身就会停止。”

许多观察者认为该产业目前已经非常接近那个点了。“我敢打赌，我们会在到达物理极限前就先把钱给花光了，”Reed说。

的确，过去10年成本的不断攀升已经导致了芯片业的大规模合并。现在全球大多数的生产线已经集中在英特尔、三星、台积电等少数几家企业手上。这些制造巨头跟材料和生产设备供应商关系紧密，他们早已协调一致，路线图对他们来说不再像过去那样有用了。“芯片制造商的重视程度绝对比以前低了，”Vhen说。

就拿担任美国产业研究中介的SRC来说吧，SRC曾是路线图的长期支持者之一，SRC的副总裁Steven Hillenius说：“但大概3年前，SRC就不再提交贡献了，因为成员公司看不出这么做有什么价值。”SRC，以及SIA希望推进一项更加长期、更加基础的研究议程，并希望能获得联邦资金（可能是白宫去年7月推出国家战略计算行动计划）的支持。

去年9月，这项议程推出了5份报告，描绘了未来面临的研究挑战。其中能效问题尤其紧迫—特别是物联网所包含的嵌入式智能传感器的能效问题，这需要在没有电池的情况下利用新技术来解决设备存活问题，比如利用环境热能和振动来收集能量。连接性同样重要：数十亿漫游设备相互之间以及与云之间的通信覆盖的无线频谱范围将达到一度不可企及的太赫（TeraHertz）级。安全也至关重要—该报告呼吁研究出新的办法来防范未来攻击和数据盗窃。

诸如此类的优先事项够研究人员未来几年忙的了。不过至少有一部分的圈内人士对此表示乐观，英特尔负责先进微处理器研究的Shekhar Borkar就是其中之一。是，他说，就字面意义而言，摩尔定律即将要终结了，因为晶体管数量的指数增长已经无法继续。但从消费者的角度来说，“摩尔定律说的仅仅是用户价值每两年就会翻番。”所以这条定律还会以这种形式继续维持下去，只要产业界能够不断往设备填充新功能的话。

想法已经有了，Borkar说：“我们的任务是实现。”