技術(shù)創(chuàng)新將朝著與以往不同的方向發(fā)展

在我們過往人生的大部分時間里，計算機和技術(shù)每年都會變得更好、更快、更便宜的想法就像每天早晨太陽升起一樣篤定。IEEE SPECTRUM上“GlobalFoundries Halts 7-nm Chip Development”一文（點擊這里查看中文譯文）中所講述的故事聽起來并不像是一個時代的結(jié)束，但對于你和任何一個使用電子設(shè)備的人來說，它無疑是。

技術(shù)創(chuàng)新將朝著與以往不同的方向發(fā)展。

GlobalFoundries是為其他公司生產(chǎn)最先進硅芯片的三家主要公司之一，其客戶包括AMD、IBM、Broadcom、Qualcomm、STM和美國國防部等。其他兩家是三星和臺積電?，F(xiàn)在只有這兩家公司在追求前沿技術(shù)。（Intel也在研發(fā)這樣的更先進芯片，但它為其他公司生產(chǎn)芯片的業(yè)務(wù)規(guī)模相對較小。）

這是個大事件。

插圖來源：iStockphoto

自從大約60年前集成電路發(fā)明以來，計算機芯片制造商每年都能在單個硅片上封裝更多的晶體管。1965年，Intel創(chuàng)始人之一Gordon Moore觀察到，（單個硅片上封裝的）晶體管的數(shù)量每24個月就會翻一番，而且還將繼續(xù)以這樣的速度增長下去。40年來，芯片行業(yè)成功實現(xiàn)了這一預(yù)測。1960年的第一個集成電路大約有10個晶體管。今天最復(fù)雜的硅芯片上有100億個晶體管。想想看，硅芯片現(xiàn)在能容納10億倍于那時的集成電路的晶體管。

但是，摩爾定律在十年前就失效了。只是消費者沒有意識到這一點。

芯片是使用特殊的化學(xué)物質(zhì)和材料在晶圓廠里通過光刻技術(shù)制造出來的。要在每一代芯片中封裝更多的晶體管，需要晶圓廠縮小晶體管的尺寸。第一批晶體管是用80微米寬的線刻的。如今，三星和臺積電正在推動生產(chǎn)特征尺寸只有幾十納米的芯片。這縮小了約2000倍。

縮小線寬的新一代芯片都需要晶圓廠投入巨額資金建造新的芯片制造設(shè)備。雖然第一批晶圓廠的設(shè)備成本只有幾百萬美元，但今天的晶圓廠——那些追求前沿技術(shù)的晶圓廠——設(shè)備成本高達(dá)100億美元。

而晶圓廠的成本暴漲并不只是由在芯片上封裝更多晶體管引起的。芯片線寬的每次縮小都意味著更高的復(fù)雜度。在光刻的每個步驟，都必須精準(zhǔn)地使圖形處在精確的位置。在7納米工藝中，需要多達(dá)80個這樣的步驟。

將更多晶體管封裝到芯片上的另一個限制是登納德縮放定律（Dennard scale）：當(dāng)晶體管變小時，它們的功率密度保持不變，因此功耗與面積成正比。但是登納德縮放定律已經(jīng)失效，產(chǎn)生了一個“功耗墻” ——時鐘速度的一個界線限制——自2005年以來，它將微處理器的頻率限制在了4千兆赫左右。這也是存儲密度不會以十年前我們看到的速度增長的原因。

在后登納德縮放定律時代，繼續(xù)縮小晶體管是如此之難，以致于就連微處理器領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者、數(shù)十年來一直是領(lǐng)先芯片技術(shù)的黃金標(biāo)準(zhǔn)的Intel公司也步履蹣跚。業(yè)內(nèi)觀察人士表示，Intel在向下一代10納米和7納米設(shè)計前進的道路上遇到了幾個減速帶，它目前落后于臺積電和三星。

螺旋式上升的制造商投資成本、技術(shù)壁壘、功率密度限制和收益遞減，這些因素綜合起來構(gòu)成了GlobalFoundries放棄研發(fā)7納米制造工藝的原因。這也意味著硅芯片創(chuàng)新的未來方向不再是可預(yù)測的。

不再在一塊芯片上安裝更多的晶體管并不意味著計算機或移動設(shè)備創(chuàng)新的終結(jié)。（顯然，前沿將會繼續(xù)向前推進，但將幾乎是在不知不覺中逐年前推的；GlobalFoundaries公司并沒有倒閉，它只是不再是一個推進前沿技術(shù)的公司。）

它的真正含義是，我們處在可以保證計算能力年年都增長的末期階段。其結(jié)果是我們過去60年所習(xí)慣的那類創(chuàng)新將終結(jié)?，F(xiàn)在，設(shè)備設(shè)計師們需要對他們已經(jīng)使用的那100億個晶體管進行更多的創(chuàng)新，來取代我們過去習(xí)慣看到的那些更快的版本。

值得記住的是，在過去的至少35000年里，人類的大腦擁有1000億個神經(jīng)元。然而，我們已經(jīng)學(xué)會了用相同的計算能力做更多的事情。半導(dǎo)體也是如此。我們要找出使用這100億個晶體管的全新方法。

例如，即將出現(xiàn)新的芯片架構(gòu)，比如用于人工智能和其他類型機器學(xué)習(xí)的大規(guī)模并行CPU和專用芯片，封裝芯片和將存儲器互連的新方法，甚至是新型存儲器。而其他的設(shè)計有的在向極低能耗的方向推進，有的在向低成本的方向推進。

那么，對于消費者來說，這意味著什么呢？首先，需要非?？焖俚挠嬎愕母咝阅軕?yīng)用程序?qū)⒗^續(xù)從本地設(shè)備遷移到云，并通過新的5G網(wǎng)絡(luò)進一步實現(xiàn)。其次，雖然今天的現(xiàn)有軟件在我們購買的計算設(shè)備上運行時并不會快很多，但新的功能——面部識別、增強現(xiàn)實、自主導(dǎo)航，以及我們從未想過的應(yīng)用程序——將來自使用新的顯示器、傳感器和其他仍在原型階段的技術(shù)的軟件。

計算機世界正在進入一個新的未知領(lǐng)域。對于臺式機和移動設(shè)備來說，“必須”升級的需求不是為了速度，而是為了新功能。

半個世紀(jì)以來，芯片制造商的規(guī)則第一次發(fā)生了變化。在這一轉(zhuǎn)型過程中，將出現(xiàn)一系列新的贏家和輸家。看看什么會從霧中浮現(xiàn)出來，將是件令人興奮的事。