摩爾定律面臨挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)戰(zhàn)移動賦新內(nèi)涵

本刊記者 | 右舍

摩爾定律面臨挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)戰(zhàn)移動賦新內(nèi)涵

本刊記者 | 右舍

今年是“摩爾定律”問世50周年，在過去50年里，這一定律對工業(yè)、社會和科技領域所產(chǎn)生的重大影響幾乎成功改變了全球的面貌。不過隨著時間的推移，業(yè)內(nèi)質(zhì)疑摩爾定律是否失效及能否延續(xù)的聲音不絕于耳。

5 0年前，英特爾公司的前身“仙童半導體”(Fairchild Semiconductor)聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)在《電子學》(Electronics)雜志上發(fā)表了一篇文章，文章中提出了著名的摩爾定律。該定律的主要內(nèi)容是，當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，每隔18～24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18～24個月翻一倍以上。

摩爾在文中預測稱，這一趨勢將會持續(xù)至少十年時間。到1975年，科技行業(yè)正式將其稱之為“摩爾定律”。而摩爾本人則在同年表示，硅芯片上的晶體管數(shù)量將每隔兩年增加一倍，因為在一個芯片上填充更多晶體管的成本在不斷上漲。然而，摩爾口中的這一趨勢一直持續(xù)到了今天，因為從上世紀60年代早期起晶體管的制造成本就迎來了大幅下降。

應該說，如今人們不想夸大摩爾定律的重要性都很難，這不僅是因為它成功催化出了個人電腦、iPhone為代表的智能手機、特斯拉、蘋果手表以及其他很多電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，還直接支撐著包括谷歌、Facebook等科技企業(yè)，而這些企業(yè)的服務器支配著數(shù)十億美元的廣告業(yè)務。

物理及經(jīng)濟性是嚴峻挑戰(zhàn)

基于摩爾定律，新一代計算機比舊一代速度更快、性能更高，而這主要是因為半導體技術的進步，芯片邏輯閘越縮越細小。用英特爾的CPU舉例，20年前第一代奔騰芯片上每個邏輯閘的大小是800納米，目前最新的酷睿 i3/5/7，邏輯閘只有22納米，20年之間足足縮小了36倍。不過，隨著邏輯閘越來越微小（每個邏輯閘只有幾個分子的大小），使其已接近物理極限，不可能繼續(xù)縮小。對此，業(yè)內(nèi)專家一致認為，傳統(tǒng)基于硅的半導體，最小只能達到5納米，再細的話傳統(tǒng)的物理學將不再適用，而是進入到了未知的量子物理學領域。

除了上述純技術的挑戰(zhàn)，更大的問題是來自經(jīng)濟學上的阻力。每一代芯片工廠造價越來越貴，例如英特爾最新的14納米芯片工廠，便花費了50億美元的天價，而且還問題多多，遲遲不能投產(chǎn)。未來除了英特爾、臺積電、三星等少數(shù)業(yè)界巨頭，恐怕沒有多少家科技公司有財力興建10納米以下的芯片工廠。鑒于之前推出每一代新芯片技術，都令芯片的運算成本下降，所以科技公司也樂于投放資源于新一代技術。可是這種下降趨勢在28納米到22納米停止了，22納米的成本與28納米大抵相同，而到了14納米，預計其成本會不跌反升。

為此，相關業(yè)內(nèi)人士在接受記者采訪時表示：“芯片制造商現(xiàn)在就需要為14納米節(jié)點選擇合適的制作工藝，之前每代工藝升級能夠帶來30%性能的提升，而14納米工藝帶來的性能提升可能只有典型值的一半。”

基于上述的原因，很多科技公司因成本考慮，會選擇停留在28納米或22納米，而少了公司攤分14納米的開發(fā)成本，自然會讓14納米芯片的造價更加昂貴，而這個問題在10納米只會更嚴重。計算機巨人IBM就是因為成本問題，把芯片工廠賣掉，索性退出了半導體行業(yè)。

“理論上，從32納米到16納米，設計成本的增加將超過1億美元。如果假設32納米時一個裸片的成本是10美元，并且假設每個節(jié)點傳統(tǒng)的成本下降仍將持續(xù)，那么相關廠商需要超過2000萬個裸片才能達到收支平衡。如果再考慮到與這種設計相關的風險，那么實際上的要求將超過1億個裸片，或至少10億美元的市場，才能證明投資這種器件的合理性。很明顯，很少有設計可以達到1億片或10億美元的市場規(guī)模。”某半導體業(yè)內(nèi)人士告訴記者。

上述業(yè)內(nèi)人士的話不是沒有道理。作為芯片產(chǎn)業(yè)的老大，英特爾僅去年的研發(fā)成本就高達115.37億美元，位居全球科技公司研發(fā)投入之首，因此很少有人能夠跟上英特爾的步伐。而目前建一座芯片工廠至少需要20～30億美元，而且線條尺寸縮小到0.1微米時，投資將猛增至100億美元，比建一座核電站投資還大。這種費用已經(jīng)使越來越多的芯片廠商退出了發(fā)展的行列。例如10年前，擁有尖端芯片生產(chǎn)能力的企業(yè)有18家，今天僅剩4家，包括英特爾、三星、Global Foundries和臺積電。

英特爾移動相對論創(chuàng)新重釋摩爾定律

當摩爾定律遭遇技術及成本挑戰(zhàn)之時，作為一直遵循摩爾定律發(fā)展的英特爾又當如何呢？

在今年年初的IDF2105上，英特爾全球高級副總裁、PC客戶端事業(yè)部總經(jīng)理施浩德(Kirk Skaugen)對記者表示：“英特爾的14納米芯片產(chǎn)品，早于競爭對手三年半的時間推出，這正是在摩爾定律推動下所實現(xiàn)的，摩爾定律表述為每隔18個月，晶體管的數(shù)量將翻一倍，性能提升一倍。接下來的10納米、7納米，還將繼續(xù)下去，這都是摩爾定律的具體實踐。未來摩爾定律會應用到物聯(lián)網(wǎng)、智能移動設備等諸多方面，摩爾定律還是會繼續(xù)成為推動產(chǎn)業(yè)與技術發(fā)展的動力。”

事實的確像施浩德所言，人們的期望并沒有止步于傳統(tǒng)的計算機產(chǎn)業(yè)，而是步入到了云計算、網(wǎng)絡、社群媒體、搜尋、串流影片等。相關機構調(diào)查顯示，僅在2014 年全球受益于摩爾定律的科技公司的市值就高達 13 萬億美元，相當于世界經(jīng)濟資產(chǎn)價值的五分之一。

除了計算機技術本身的發(fā)展，醫(yī)療、制藥和遺傳學等行業(yè)都出現(xiàn)了類似的摩爾定律。許多藥物檢測都是通過計算機進行的，而計算機軟件只需極短的時間就能分析出人類基因。

對于英特爾來說，隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)有的技術與產(chǎn)品性能已經(jīng)能夠滿足人們的需求，高性能不再是人們追求的最重要的要素，人們開始關注低功耗、高節(jié)能等方面的發(fā)展。為此英特熱爾推出了“移動相對論”的概念和產(chǎn)品，其公式為M=E/C2，是由愛因斯坦的質(zhì)能公式(E=mc2)變形而來，但英特爾為每個字母都賦予了全新的含義。即M=Mobility(移動性)、E=Power Efficiency(低功耗)、C2=High Computing Performance(高性能)，代表產(chǎn)品就是新近推出的酷睿M芯片。

據(jù)英特爾方面介紹：M代表酷睿M所帶來的超強移動性。酷睿M采用業(yè)界領先的14納米制程工藝和第二代三柵極晶體管，實現(xiàn)了更小的封裝，僅為第四代酷睿的50%，并將熱設計功耗(TDP)降低了60%。E代表不斷降低的功耗。酷睿M的功耗已降低至4.5W，在執(zhí)行有效工作負載的情況下，與四代酷睿相比，可將電池的續(xù)航時間延長達20%(1.7小時)。C2代表不斷增加的計算性能。與第四代酷睿相比，酷睿M處理器將計算性能和顯卡性能分別提升高達50%和40%。而與使用了4年的舊電腦相比，更是實現(xiàn)了計算性能的兩倍提升，將顯卡性能提升7倍。而當分子E不斷地降低時，會帶來更低功耗以及更久續(xù)航;而當分母C2越來越高時，又意味著超快的運算速度和超強的處理能力。酷睿M可以用于打造極致輕薄的無風扇設備，實現(xiàn)最佳的移動計算體驗。

終結(jié)還是延續(xù)下一個摩爾定律在哪里？

盡管在移動芯片上，廠商們使出了渾身解數(shù)，但業(yè)內(nèi)仍在預測下一個摩爾定律會出現(xiàn)在哪里或者說如何體現(xiàn)？

業(yè)界分析認為，摩爾定律可能出現(xiàn)在擁有類人認知能力的高能效計算機上。按照摩爾定律的預測，到2018年時，單一芯片上的電晶體數(shù)量將超越人類大腦的腦細胞數(shù)量，機器具備感情已有了物理基礎。事實上，許多計算機工程師也正努力從生物大腦的運轉(zhuǎn)方式中汲取靈感，或在新材料、新元件的研發(fā)方面另辟蹊徑。

英特爾及一些廠商可以說一直做著這方面的努力。從90納米到62納米、45納米、32納米、22納米、14納米；從單核到四核，到如今的8核，甚至未來更多的核心；英特爾一直為延續(xù)摩爾定律做著努力，例如3D晶體管技術就是為了更好地延續(xù)摩爾定律而推出的。

除英特爾外，IBM在碳納米管芯片制造技術方面也已經(jīng)取得了重大突破，這一突破被認為是在下個10年中拯救摩爾定律的希望之一。除了有所突破的IBM碳納米管技術外，石墨烯和一種標準硅晶體管也有望成為摩爾定律的拯救者，目前這兩種新材料正在被科學家用來突破半導體技術的瓶頸。

值得一提的是，第三代半導體材氮化鎵（GaN）如今也備受關注。硅基板GaN技術不僅可以實現(xiàn)很高的功率密度，從而縮小設備的外形尺寸，還可以提高能效。據(jù)IHS發(fā)布的市場研究報告顯示，與硅基板GaN技術相關的功率半導體市場，將以高達50%以上的復合年增長率(CAGR)增長。也就是說，其市場容量將從2014年的1500萬美元，增至2023年的8億美元。

與上述尋求技術和材料上的突破不同，日前，美國麻省理工學院的教授費格拉（EugeneA. Fitzgerald）在英國每日電訊報網(wǎng)站發(fā)文指出：在今天的技術背景下，傳統(tǒng)半導體和硬件時代的摩爾定律，或許已經(jīng)不再是人類科技和社會進步的主要動力，科技的未來，在于開放式的創(chuàng)新。費格拉進一步解釋，今天，科技創(chuàng)新無處不在，消費者生活在一個被“創(chuàng)新”包圍的世界中。每天都可以看到新技術的問世，每年蘋果都會發(fā)布最新款的智能手機，而每一個投放到市場上的電子產(chǎn)品，總會帶來一些突破性的創(chuàng)新功能。

對此，英特爾公司的戰(zhàn)略家史蒂夫·布朗表示，摩爾定律意味著企業(yè)在不斷進步的同時，還要面對持續(xù)激烈的競爭。幸運地是，摩爾定律并不是自然規(guī)律，更像是激勵的信條，激勵著科技公司實現(xiàn)自我超越。

“其實任何一個定律都有其適用性和生命周期，但摩爾定律所追求的極致創(chuàng)新精神，卻一直激勵著人們挑戰(zhàn)極限。無論是硬件還是軟件的創(chuàng)新，都有可能為摩爾定律補位，進而改變科技產(chǎn)業(yè)和整個世界。”某業(yè)內(nèi)人士如此評價摩爾定律未來的新內(nèi)涵。