后摩爾定律時代芯片的出路

　　摩爾定律最早由英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人 Gordon Moore 提出，內(nèi)容是：當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的元器件數(shù)量約每隔 18-24 個月就會增加一倍，性能也將提升一倍。后面 Moore 修正了模型，變?yōu)椋簡挝幻娣e芯片上的晶體管數(shù)量每兩年能實現(xiàn)翻番。

　　誰也想不到，這個 1971 年提出的定律，竟能支配計算領(lǐng)域長達 44 年的時間。直到今天，英特爾官方宣布，放棄過去十年堅持的 Tick-Tock 處理器發(fā)展模式，通過延長制造工藝的生命周期，將之前的處理器研發(fā)周期從“兩步”變成“三步”：

　　制程工藝（PROCESS）

　　架構(gòu)更新（ARCHITECTURE）

　　優(yōu)化（OPTIMIZATION）。

　　英特爾 CEO Brian Krzanich 表示，“我們的更新周期已經(jīng)從 2 年延長到了 2 年半。”

　　這意味著對于英特爾而言，摩爾定律已經(jīng)失效。

　　摩爾定律的失效，并不出乎人們的意料。微軟研究院的副總裁 Peter Lee 曾經(jīng)開玩笑說：“預(yù)測摩爾定律將會失效的人數(shù)，每 2 年都會翻上一番?！倍谟⑻貭柟俜叫挤艞壸非竽柖汕€的時候，這一天也就到來了。

　　摩爾定律對整個計算產(chǎn)業(yè)有著舉足輕重的影響。我們最為關(guān)心的是，在摩爾定律之后，計算領(lǐng)域會發(fā)生什么改變？答案就在以下十大方向，包括：

　　1、從根本上改變芯片的設(shè)計：包括 3D 維度的芯片設(shè)計、周圍柵極、量子隧穿效應(yīng)等。

　　2、尋找硅材料的替代品：包括硅 - 鍺（SiGe）、合金隧道、III-V 材料設(shè)計、石墨烯、自旋晶體管等。

　　3、從現(xiàn)有晶體管尋找出路：多核芯片、特制芯片、新品種芯片。

　　4、計算框架的變革：量子計算框架、光通信、量子阱晶體管、神經(jīng)形態(tài)計算、近似計算。

　　摩爾定律的黃昏將帶來機遇、混亂和大量的摧毀性創(chuàng)意。一個原本依賴于大量設(shè)備穩(wěn)步升級的行業(yè)將被撕碎。那么計算的未來，究竟會怎樣發(fā)展？

　　摩爾定律背后的物理瓶頸

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　　摩爾定律并不是一套“物理定律”，而是大公司定義的經(jīng)濟規(guī)則。在以英特爾為首的芯片公司定義了一套游戲規(guī)則，要在兩年的時間里把晶體管數(shù)量增加一倍，同時成本減少一半。

　　過去這套經(jīng)濟規(guī)則并沒有違反物理定律。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶體管在體積變小時，性能也會變得更好：

　　體積較小的晶體管在開啟關(guān)閉時需要的能量更少、速度也更快。這意味著你可以使用更多更快的晶體管，而無需付出更多能量或產(chǎn)生更多廢熱，因此芯片可以在越做越大的同時、性能也越來越好。

　　能做到這一點的公司獲得了成功，而做不到的則逐漸被歷史淘汰。但當(dāng)晶體管尺度變小到小型化的極限“原子尺寸”的時候，事情變得和人們期待的有所不同。

　　在這種原子尺寸下，現(xiàn)代晶體管的源極和漏極非常接近，大約是 20 納米的量級。這會引起隧道泄露，剩余電流能夠在裝置關(guān)閉的時候通過，浪費了電量和產(chǎn)生不必要的熱量。

　　從這個來源產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致嚴重的問題。許多現(xiàn)代芯片都必須低于最高的速度運行，或者周期性的關(guān)閉部分開關(guān)以避免過熱，這限制了它們的性能表現(xiàn)。