摩爾定律下，真的有廠商實(shí)現(xiàn)了突破嗎？

在英特爾創(chuàng)始人戈登摩爾提出的摩爾定律中，每隔18個月集成電路上可容納的集體管數(shù)目就會增加一倍，同時(shí)處理器的計(jì)算能力也會指數(shù)式增長。盡管我們都說摩爾定律已死，但這更多是針對最后一句話，也就是性能的增長趨勢，因?yàn)楝F(xiàn)在的性能增長瓶頸已經(jīng)不再局限于CPU處理器，還有存儲、軟件等多方面因素。

即便如此，晶體管數(shù)量的增加趨勢其實(shí)仍有一定的參考價(jià)值，雖然各大廠商也不能完全遵循這一趨勢，但基本也不會偏離太遠(yuǎn)。國外分析師David Schor為此做了一個摩爾定律追蹤圖，直白地顯示各大廠商的芯片產(chǎn)品與摩爾定律存在多少偏差。

老牌廠商的跌宕起伏

最初摩爾定律的提出，就是對CPU性能的提升做一個參照，所以我們先來看看英特爾和AMD兩家x86巨頭是否好好遵循摩爾定律。

英特爾、Xilinx/AMD產(chǎn)品晶體管數(shù)量趨勢 / David Schor

從上圖中可以看出，近年來兩家的CPU、GPU產(chǎn)品基本都位于摩爾定律的晶體管數(shù)目之下，只有少數(shù)數(shù)據(jù)中心級別的GPU能夠達(dá)標(biāo)，比如英特爾的Xe HPC架構(gòu)GPUPonto Vecchio、AMD的CDNA2 .0架構(gòu)GPU Aldebaran，這些GPU產(chǎn)品要么用了MCM結(jié)構(gòu)要么用了Chiplet設(shè)計(jì)，所以在晶體管數(shù)量上占據(jù)一定優(yōu)勢很正常。

至于圖中那些高于摩爾定律的點(diǎn)，絕大多數(shù)并不是CPU、GPU芯片，而是Altera/英特爾和Xilinx/AMD的FPGA。對于追求最大化邏輯單元數(shù)的FPGA來說，超過摩爾定律可以說是必經(jīng)之路，哪怕是這幾年工藝發(fā)展變慢的情況下，英特爾的Stratix 10系列和Xilinx的Versal系列FPGA，也憑借著率先使用異構(gòu)與Chiplet保持著較高的晶體管數(shù)目。

ARM的崛起

2010年之后，智能手機(jī)開始普及，也象征著ARM的崛起。以高通和蘋果為首的一眾手機(jī)/手機(jī)芯片廠商，開始追求如何在手機(jī)芯片極小的面積上，做到盡可能多的晶體管數(shù)量。這些手機(jī)處理器之間的競爭也在推動臺積電等代工廠之間開始對先進(jìn)工藝的瘋狂追求，當(dāng)然了手機(jī)SoC在這上面追求的表面上是高性能，其實(shí)還是高能效，至于朝摩爾定律曲線看齊，完全不是他們的目標(biāo)。

從上圖可以看出，無論是蘋果、華為，還是高通，他們設(shè)計(jì)的ARM手機(jī)SoC都沒有超過這條摩爾定律曲線。畢竟手機(jī)作為消費(fèi)產(chǎn)品，處理器并不能占據(jù)全部的賣點(diǎn)，在面積、功耗、成本等各方面考量之下，手機(jī)SoC設(shè)計(jì)廠商都沒有選擇狂堆晶體管的方案。哪怕是蘋果的A系列處理器，也只有對面積要求不高的A8X、A12X這樣的平板SoC略微靠近了摩爾定律曲線。

但手機(jī)SoC從來都不是ARM追求晶體管數(shù)量的終點(diǎn)，這個任務(wù)將由數(shù)據(jù)中心的Arm處理器來完成。在上圖的曲線中，有一些代表ARM處理器的點(diǎn)已經(jīng)基本與摩爾定律曲線重合了，甚至還有超過的。

我們先來看下這幾個與曲線重合的點(diǎn)，它們分別是高通的Centriq，亞馬遜的Graviton 2/3、華為的鯤鵬920和阿里巴巴的倚天710，這些無一例外都是用于數(shù)據(jù)中心的ARM處理器。在數(shù)據(jù)中心這種場景下，無論是哪家廠商追求的都是最高的性能，所以如此多的晶體管數(shù)量也見怪不怪了。至于那個唯一超過的點(diǎn)則是蘋果的M1 Ultra，其面積也達(dá)到了860mm2，M1的八倍之多。蘋果在這顆龐大的芯片上塞入了1140億個晶體管，完全超出了同期的競爭對手。

其他值得一提的廠商

對于一些剛成立不久的公司來說，他們的目標(biāo)不是為了追求更高的晶體管密度。但對于一些AI/ML芯片初創(chuàng)公司，或者像上面提到的ARM芯片一樣牽扯到數(shù)據(jù)中心，這些芯片的晶體管數(shù)目也少不了。在上圖中，近年來接近摩爾定律曲線的也有不少，比如阿里巴巴的自研架構(gòu)AI推理芯片含光800、Graphcore的WoW 3D封裝IPU芯片Colossus MK2、Esperanto的千核RISC-V AI芯片ET-SoC-1，還有特斯拉為其Dojo超算打造的AI芯片D1。

你可能在看圖時(shí)已經(jīng)注意到了遠(yuǎn)在摩爾定律曲線之上的那兩個點(diǎn)，是誰擁有如此可怕的設(shè)計(jì)實(shí)力，晶體管數(shù)目甚至超過了2030年的摩爾定律曲線呢？答案自然就是最大芯片尺寸的紀(jì)錄保持者，堅(jiān)持Wafer-Scale的Cerebras。Cerebras在去年發(fā)布的Wafer Scale Engine 2面積達(dá)到了46225mm2，近乎M1 Ultra芯片的54倍，接近一個12英寸晶圓的大小。別看Cerebras的第二點(diǎn)與第一個點(diǎn)的Wafer Scale Engine一代沒差多少，這只是因?yàn)檫@個圖的規(guī)模放不下了，因?yàn)閃afer Scale Engine 2的晶體管數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了可怕的26000億。

最后我們放出這張完整的圖，在這幾十多年晶體管數(shù)目激增的局勢下，其實(shí)真正突破摩爾定律還是一件難事，這也是我們不斷重復(fù)摩爾定律已死的原因。但我們看到新的設(shè)計(jì)思路也在涌現(xiàn)，無論是堆小芯片的Chiplet，還是單個大裸片的Wafer-Scale，未來這樣的創(chuàng)新會持續(xù)爆發(fā)，但先行的肯定是數(shù)據(jù)中心這樣的HPC領(lǐng)域。