作為一種控制計算的經(jīng)驗法則，摩爾定律認為，一顆微處理器芯片上的晶體管數(shù)量每兩年左右將會翻番。而這通常意味著，芯片的性能也將提升一倍。該定律描述的指數(shù)級發(fā)展規(guī)律將上世紀70年代的第一批原始家用電腦轉(zhuǎn)變成八九十年代的復(fù)雜機器，并且從那時起，促成了當(dāng)下流行的高速互聯(lián)網(wǎng)、智能手機以及同網(wǎng)絡(luò)相連的汽車、冰箱和恒溫控制器的興起。

 

　　下個月即將發(fā)布的半導(dǎo)體行業(yè)路線圖將首次部署一份未以摩爾定律為中心的研發(fā)計劃。相反，它將遵循一種或許可被稱為“超越摩爾定律”的戰(zhàn)略：以應(yīng)用——從智能手機、超級計算機到云數(shù)據(jù)中心——為開端，然后向下看需要什么樣的芯片來支持它們，而非讓芯片變得更好并使應(yīng)用跟隨其后。這些芯片將包括新一代傳感器、電源管理電路和一個計算正日益移動化的世界所需要的其他硅器件。

 

　　過熱之困

 

　　踐行摩爾定律遇到的第一塊絆腳石并不出人意料。路線圖繪制機構(gòu)主席PaoloGargini和其他人早在1989年便對此提出警告。盡管如此，它帶來的打擊卻是沉重的：東西變得太小。

 

　　“過去，無論我們何時將特征尺寸變小，好事總會自動發(fā)生。”位于美國加州圣克拉拉市的設(shè)備制造商“第三個千年測試解決方案”總裁BillBottoms表示，“芯片會變得更快，并且功耗降低。”

 

　　然而，本世紀初，當(dāng)芯片的特征尺寸開始縮小到約90納米以下時，這種自動產(chǎn)生的好處不再出現(xiàn)。隨著電子在日益變小的硅電路中不得不移動得越來越快，芯片開始變得過熱。

 

　　這是一個最基本的問題。發(fā)熱很難避免，但沒有人想買一部燙手的手機。Gargini介紹說，為此，生產(chǎn)商死死抓住僅有的救命稻草。首先，他們不再試圖增加“時鐘頻率”，即微處理器執(zhí)行指令的速度。這有效限制了芯片電子的速度，以及它們產(chǎn)生熱量的能力。自2004年起，最大時鐘頻率一直沒有變化。

 

　　其次，在速度受限的情況下，為讓芯片沿著摩爾定律的性能曲線發(fā)展，生產(chǎn)商重新設(shè)計了內(nèi)部電路，使每顆芯片含有2個、4個甚至更多處理器，或者說“核”。如今，四核和八核的臺式電腦和智能手機已經(jīng)非常普遍。Gargini表示，原則上講，“你可以用4顆250兆赫的芯片和單顆1千兆赫的芯片，實現(xiàn)相同的輸出值”。但實際上，利用8顆處理器意味著一個問題不得不被分解成8個部分，而這對于很多算法來說非常困難，甚至不可能。

 

　　即便如此，當(dāng)和創(chuàng)新性的重新設(shè)計結(jié)合起來以彌補電子泄漏和其他效應(yīng)時，這兩種解決方法使芯片生產(chǎn)商得以繼續(xù)縮減電路尺寸，并且遵照摩爾定律，繼續(xù)提升晶體管數(shù)量。現(xiàn)在的問題在于，到本世紀20年代初，由于量子效應(yīng)的影響，利用硅實現(xiàn)尺寸的持續(xù)縮減已不再可能時，將會發(fā)生什么？下一步該何去何從？“我們?nèi)栽诳嗫嘧穼そ鉀Q方法。”來自國際芯片生產(chǎn)商——格羅方德的電氣工程師、新路線圖下屬委員會主席AnChen表示。

　　走向移動化

 

　　對于摩爾定律來說，第二塊絆腳石更多的是讓人們始料未及，但幾乎和第一塊絆腳石同時出現(xiàn)：計算正走向移動化。

 

　　25年前，計算是由臺式機和筆記本電腦的需求來定義的。同時，超級計算機和數(shù)據(jù)中心基本上利用相同的微處理器，只是以更多的數(shù)量被打包在一起。如今，計算越來越多地由高端智能手機和平板電腦所做的事情來定義，更不要說智能手表和其他可穿戴設(shè)備，以及從橋梁到人體的一切事物中安裝的數(shù)量呈爆發(fā)式增長的智能設(shè)備。這些移動設(shè)備的側(cè)重點同其更加靜態(tài)的“表親”相比完全不同。

 

　　對于移動設(shè)備來說，更關(guān)鍵之處在于如何在同周圍環(huán)境和使用者互動的同時，維持更長的電池續(xù)航能力。一部典型智能手機中的芯片必須發(fā)送并接收語音呼叫、Wi-Fi、藍牙和全球定位系統(tǒng)產(chǎn)生的信號。同時，它們還要感知觸摸、距離、加速度、磁場，甚至是指紋。不僅如此，智能手機必須擁有管理電池的專用電路，以保證所有這些功能不會將電量耗盡。

 

　　對于很多專用電路而言，設(shè)計仍是一件家庭作坊式的事情，而這意味著效率低、花費高。在加州大學(xué)伯克利分校，電氣工程師AlbertoSangiovanni-Vincentelli和同事正試圖改變這一點。在他們看來，人們應(yīng)通過將大量擁有已知功能的現(xiàn)有電路組合起來，創(chuàng)造新的設(shè)備，而非每次都從頭開始設(shè)計。“這就像利用樂高積木。”Sangiovanni-Vincentelli認為，確保積木共同工作是一項挑戰(zhàn)，但“如果你利用更老的設(shè)計方法，成本將會過高”。

 

　　并不令人驚訝的是，成本是芯片生產(chǎn)商近年來非常關(guān)注的問題。“摩爾定律的終結(jié)并非技術(shù)問題，而是一個經(jīng)濟問題。”Bottoms表示，一些公司尤其是因特爾，在撞到量子效應(yīng)形成的墻壁前仍試圖縮減組件尺寸。然而，“我們將尺寸縮減得越多，成本就會越高”。

 

　　保持樂觀

 

　　的確，過去十年間不斷增加的成本迫使芯片生產(chǎn)行業(yè)出現(xiàn)大規(guī)模整合。目前，全球大多數(shù)生產(chǎn)線屬于諸如因特爾、三星、臺積電等少數(shù)跨國公司。這些生產(chǎn)巨頭同為其供應(yīng)材料和制造設(shè)備的公司形成了緊密的關(guān)系。它們已經(jīng)達成統(tǒng)一戰(zhàn)線，并且發(fā)現(xiàn)摩爾定律描繪的路線圖已沒有多大用處。

 

　　以美國半導(dǎo)體行業(yè)研究機構(gòu)——半導(dǎo)體研究公司（SRC）為例，它是路線圖的長期支持者。但SRC副總裁StevenHillenius介紹說，在約3年前，SRC放棄了對路線圖的貢獻，因為成員公司從中已看不到價值。SRC和位于華盛頓的半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會想推動建立一個更加長遠、基礎(chǔ)的研究議程，并且確保聯(lián)邦政府為此提供資助——或許通過白宮在去年7月發(fā)起的“國家戰(zhàn)略計算計劃”。

 

　　該議程在去年9月的一份報告中得以布局，并且概述了未來將面臨的研究挑戰(zhàn)。能效是迫切需要解決的重點問題。尤其是對于組成物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式智能傳感器來說，將需要利用來自外界熱量和振動的能量，使其在沒有電池的情況下仍能工作的新技術(shù)。連接性同樣至關(guān)重要：幾十億臺分散的設(shè)備試圖相互聯(lián)系，而云端將需要大量帶寬。解決辦法在于研究人員能充分利用紅外光譜深處曾經(jīng)無法企及的太赫茲波段。同時，安全也非常關(guān)鍵。報告呼吁研究新方法，以建立對抗黑客攻擊和數(shù)據(jù)竊取的保障措施。

 

　　這些重點任務(wù)和其他問題將讓研究人員接下來有很多工作要做。至少包括因特爾先進微處理器研究負責(zé)人ShekharBorkar在內(nèi)的一些行業(yè)內(nèi)部人士對此保持著樂觀態(tài)度。他說，的確，從字面上理解，摩爾定律正在終結(jié)，因為晶體管數(shù)量的指數(shù)級增長已無法繼續(xù)下去。不過，從消費者的角度來說，“摩爾定律只是在簡單地描述這樣一個事實：用戶價值每隔兩年便會翻番”。通過這種形式，摩爾定律將繼續(xù)下去，只要半導(dǎo)體行業(yè)能持續(xù)用各種新功能填滿其設(shè)備。