摩尔定律的黄昏与计算行业的黎明

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编者按:摩尔定律统治了计算领域44年，并最终在今年结束。在这之后，计算机领域将会发生什么？得益于半导体和芯片技术而高度繁荣的手机和个人电脑行业将会受到怎样的影响？本文是根据、胡、、主编的《经济学家》一文编写的。

摩尔定律最初是由英特尔联合创始人戈登·摩尔提出的。内容是，当价格不变时，集成电路上可容纳的元件数量将每18-24个月翻一番，性能也将翻一番。摩尔后来修改了模型，并将其改为:每单位面积芯片上的晶体管数量可以每两年翻一番。

没有人会想到这个1971年提出的定律可以统治计算机领域44年。时至今日，英特尔正式宣布将放弃过去十年坚持的滴答处理器开发模式，通过延长制造流程的生命周期，将之前的处理器开发周期从“两步”改为“三步”:

过程架构的优化。英特尔首席执行官brian krzanich表示:“我们的更新周期已从两年延长至两年半。”

这意味着摩尔定律对英特尔来说已经失败了。

摩尔定律的失败并不出人意料。微软研究院副院长彼得·李(Peter lee)曾开玩笑说:“预测摩尔定律将会失败的人数每两年就会翻一番。”当英特尔正式宣布将放弃对摩尔定律曲线的追求时，这一天就会到来。

摩尔定律对整个计算机行业有决定性的影响。我们最关心的是在摩尔定律之后计算领域会发生什么？答案在于以下十个方向，包括:

1.从根本上改变芯片设计，包括三维芯片设计、周围网格、量子隧道效应等等。2.寻找硅材料的替代品，包括sige、合金隧道、iii-v材料设计、石墨烯、自旋晶体管等。3.从现有的晶体管中寻找出路:多核芯片、特殊芯片和新品种的芯片。4.量子计算框架、光通信、量子阱晶体管、神经形态学计算和近似计算。摩尔定律的曙光将带来机遇、混乱和大量破坏性的创造力。一个依靠大量设备稳步升级的行业将会被撕裂。那么计算在未来会如何发展呢？

摩尔定律背后的物理瓶颈

摩尔定律不是一套“物理定律”，而是一个由大公司定义的经济规则。以英特尔为首的芯片公司已经制定了一套游戏规则，即在两年内将晶体管数量增加一倍，成本降低一半。

在过去，这套经济规则并没有违反物理定律。研究人员发现，当晶体管的尺寸变小时，性能会变得更好:

更小的晶体管需要更少的能量，当它们打开和关闭时速度更快。这意味着你可以使用更多更快的晶体管，而不会消耗更多的能量或产生更多的废热，因此芯片可以同时变得更大更好。

能够做到这一点的公司是成功的，而不能做到这一点的公司会被历史逐渐淘汰。然而，当晶体管的规模变得小于小型化“原子尺寸”的极限时，事情就变得与人们所期望的不同了。

在这种原子尺寸下，现代晶体管的源极和漏极非常接近，约为20纳米。这将导致隧道泄漏，当设备关闭时，剩余电流会通过，从而浪费电能并产生不必要的热量。

从这个源头产生的热量会导致严重的问题。许多现代芯片必须以低于最高速度运行，或者定期关闭一些开关以避免过热，这限制了它们的性能。

目前，芯片晶体管的间距约为10纳米。减小间距会带来非线性成本增加。据国际商业战略公司首席执行官韩德尔·琼斯(Handel Jones)估计，当该行业能够生产晶体管间距为5纳米的芯片(根据过去的增长率，这可能在2020年代初出现)时，晶圆厂的成本可能会飙升至160亿美元以上，相当于英特尔当前年收入的三分之一。

2015年，英特尔的年收入为554亿美元，仅比2011年高出2%。收入的缓慢增长和成本的急剧增加带来了一个明显的结论:从经济学的角度来看，摩尔定律已经过时了。

摩尔定律的下一步

显然，传统的芯片设计方案已经达到了瓶颈。为了找到下一代芯片，需要进行两大变革。

1.晶体管的设计必须从根本上改变。2.这个行业必须找到硅的替代品，因为它的电性能已经被推到了极限。首先，从根本上改变芯片设计

(1)第三维

解决这个问题的一个办法是重新设计隧道和大门。传统上，晶体管一直是平面的，但自2012年以来，英特尔为产品增加了第三个维度。为了使它能够制造一个只有22纳米的芯片，它切换到一个叫做“finfetch”的晶体管。在本产品中，在芯片表面建立了一个通道，网格在三个暴露的方向包围着通道(第二幅图)，这使得更好地处理通道内的任务成为可能。这些新晶体管很难制造，但它们比相同尺寸的早期版本快37%，并且只消耗一半的功率。

(2)全方位大门

阿尔贡国家实验室的斯尼尔先生说，下一个合乎逻辑的步骤是一个全栅晶体管，其沟道被四个栅极包围。这可以提供最大限度的控制，但它增加了制造过程的额外步骤，因为浇口必须由多个部分单独制造。像三星这样的大型芯片制造公司曾经说过，他们可能会使用栅极环绕的晶体管来制造相隔5纳米的芯片。三星和其他制造商希望在2020年代初达到这一阶段。

(3)量子隧道效应

此外，还需要更多的外部解决方案。一个想法是使用量子隧道效应，这对于传统晶体管来说是一个很大的烦恼，当晶体管收缩时，事情总是变得更糟。通过施加电场可以控制隧穿的速率。低泄漏率对应于状态0，高泄漏率对应于状态1。2004年，ibm团队展示了第一个实验性隧道晶体管。从那以后，研究人员一直致力于商业化。

2015年，加州大学的考斯塔夫·班纳吉领导的研究小组在《自然》杂志上发表了一篇文章。他们建造了一个工作电压仅为0.1伏的隧道晶体管，远低于目前的0.7伏，这意味着热量更少。但是在隧道晶体管出现之前，还需要做更多的工作。arm的微芯片设计师Greg yeric说:“目前，它们的速度还不足以打开和关闭开关，这还不足以用于快速芯片。”吉姆·格里尔和他在爱尔兰廷德尔研究所的同事提出了另一个想法。他们的设备被称为无连接纳米线晶体管(jnt)，旨在帮助解决小规模制造的问题:使掺杂足够好。”这些天，你在谈论掺杂了少量硅杂质的半导体，然后你很快就会谈到这一点。甚至一两个杂质原子的错误位置也会极大地影响晶体管的性能。”格里尔博士说

相反，他和他的同事提出建立他们自己的jnt，它离均匀掺杂的硅只有3纳米。一般来说，这导致一条线，而不是一个开关:一个设备具有统一的导电性，不会关闭。然而，在如此小的规模下，栅极的电子影响可以穿透导线，因此当晶体管关断时，单个栅极可以阻止电流流动。

传统晶体管的工作原理是在原本相互隔离的源极和漏极之间建立一座桥。格里尔博士的装置以其他方式工作:它更像一根软管，而网格起到阻止电流流动的作用。他说:“这是真正的纳米技术。”“我们的设备只能在这种规模下工作，最大的优势是您不必担心制造这些笨重的节点。”

第二，寻找硅的替代品

芯片制造商也在尝试硅以外的材料。去年，包括三星、高宝铸造厂、ibm和纽约州立大学在内的一个研究联盟宣布了一种7纳米微芯片，预计在2018年之前不会到达消费者手中。它使用的设计与前代产品finfet相同，只是稍作修改，但尽管大多数器件是由普通硅制成的，但它的晶体管有一半是由硅锗(sige)合金隧道制成的。

(4) sige合金

选择这种设计是因为在某些方面它是比硅更好的导体。同样，这意味着更低的功耗，并允许晶体管更快地打开和关闭，提高芯片的速度。但这不是灵丹妙药，ibm物理科学部门的负责人黑克瑞尔说。现代芯片由两种晶体管构成，一种被设计用来传导电子和携带负电荷。其他物种被设计成引入“空穴”，这些空穴被放置在半导体中，可能但出乎意料地不含电子。这些看起来好像有带正电的电子。此外，尽管硅锗擅长传输“洞穴”，但与硅相比，它不太擅长移动电子。

沿着这些路线，为了获得更高的性能，未来的道路可能需要同时结合硅锗和其他混合物，以便电子能够比硅材料中的电子更好地移动。电性能最好的材料是一些合金，如铟、镓和砷，它们在元素周期表中统称为iii-v材料。

问题是这些材料很难与硅融合。晶格中原子之间的距离与硅原子之间的距离非常不同。因此，它们中的一层被添加到硅衬底上，由此所有芯片的制造将导致压力，这将带来芯片断裂的压力。

(5)石墨烯

最著名的替代方法是石墨烯，它是一种单原子碳形式(二维)。石墨烯在操纵电子和空空穴方面表现非常好，但困难在于如何阻止它。研究人员一直试图通过掺杂、压碎和挤压石墨烯，或者使用电场来改变电特性。已经取得了一些进展:曼彻斯特大学在2008年报道了一种可以工作的石墨烯晶体管；加州大学刘冠雄领导的研究小组在2013年使用了一种具有“负电阻”的材料来制造设备。但耶里克博士说，对石墨烯的真正影响是激发对其他二维材料的兴趣。他说:“石墨烯是一个开放的盒子。”“我们现在正在寻找像二硫化钼这样的物质，或者是黑磷、磷和硼的混合物。”重要的是，所有这些都像硅一样，很容易打开和关闭。

耶里克博士说，如果一切按计划进行，新的晶体管设计和新材料可能会在五六年内使事情运转起来，那时可能会有一个5纳米的晶体管。但除此之外，“我们已经用尽所有方法来避免真正的基本需求。”

(6)自旋晶体管

在这方面，他最喜欢的候选人是所谓的“自旋电子学”。电子利用电子的电荷来表示信息，而自旋电子学利用“旋转”，这是电子的另一个固有属性，与物体所拥有的旋转能量有关。它非常有用。旋转有两种变化:上升和下降。它可以用来表示1和0。计算机行业在自旋电子学方面有一些经验:例如，它是一种硬盘应用。

自旋晶体管已经研究了15年多，但至今还没有投入生产。难以做到的是，驱动它所需的电压非常小:10-20mV，比传统晶体管小一百倍，后者可以解决热量问题。但它也带来设计问题，耶里克说。在这种微小的电压下，很难区分电子噪声中的1和0。

分析师linley gwennap说:“在实验室里制造一种新型晶体管相对容易。”“但要取代我们今天所做的，你需要在芯片上投资数十亿美元，成本合理，可靠性高，几乎没有缺陷。我不会说我做不到，但这很难。”这也使得寻找其他方法来制造更好的计算机变得非常重要。

第三，从现有的晶体管中寻找出路

严格来说，摩尔定律是关于越来越多的组件可以集成到一个给定的设备中。更一般地说，计算机总是越来越好。随着晶体管越来越难缩小，计算公司开始考虑更好地利用现有的晶体管器件。arm的格雷格耶里克(greg yeric)表示:“过去，经理们不想在密集型设计上投入太多资金。”“我认为这种情况将开始改变。”

一种方法是让现有的芯片更难工作。电脑芯片有一个主时钟，每次它滴答作响，里面的晶体管就会开关。更快的时钟意味着更快的指令执行。在过去的40年里，提高时钟速率一直是使芯片速度更快的主要方法。然而，在过去的10年里，时钟频率几乎没有变化。

(7)多核芯片

芯片制造商的反应是通过使用额外的晶体管复制芯片的现有电路。这种“多核”芯片结合了一些速度较慢的处理器，性能优于仅仅依靠单一的快速处理器。大多数现代台式计算机有4到8个内核，有些甚至有16个内核。

然而，正如业界所发现的，多核芯片的速度已经达到极限。“每个人都同意，如果我们继续这样做，如果我们的芯片有1000个内核，那么一切都会好的。”微软芯片设计专家道格·伯格说。然而，为了得到最好的芯片，程序员必须将任务人员分解成小块，以便他们可以同时工作。“事实证明，这真的很难。”伯格医生说。事实上，有些数学任务是不可能的。

(8)特殊芯片

另一种方法是专业化。最广泛使用的芯片，如英特尔的核心产品线或基于arm cortex的芯片(这种芯片几乎可以在地球上所有的手机中找到)，都是多功能的，具有很大的灵活性。但这是有代价的:他们可以做任何事情，但没有什么是完美的。调整硬件以使其更适合特殊的数学任务，可以在解决一般任务时提高100到1000倍。英特尔奔腾芯片的设计者鲍勃·科尔韦尔说。

特制的芯片已经被用于计算机工业的一些领域。最著名的例子是用于改善视频游戏视觉效果的显卡，它是由nvidia和amd等公司设计的，出现于20世纪90年代中期。后来，英特尔的奔腾芯片也为某些任务(如视频解码)设计了内置的特殊逻辑。但是这也有它的缺点。

设计一个新芯片需要几年时间，研发成本可能高达数千万甚至上亿美元。专用芯片也比通用芯片更难编程。而且，由于在我们的本性中，它们只能提高某些任务的性能。

特殊逻辑的更好目标——至少在开始的时候——可能是数据中心，它需要巨大的计算能力来为运行互联网的服务器提供能量。

因为数据中心处理大量数据，他们可能总是需要一个只能做一件事，但却能做得很好的芯片。

为此，世界上最大的软件公司和云计算服务提供商之一微软正在投资芯片设计业务。2014年，微软发布了一款名为“弹射器”的新设备，它使用了一种叫做现场可编程门阵列(fpga)的特殊芯片，这种芯片的设置可以随意调整。Fpga提供了定制和灵活性之间的折衷，这非常实用。伯格，谁领导弹射器的R&D团队，说:“这是有可编程的硬件除了可编程的软件。”当一个任务完成后，fpga可以在不到一秒钟的时间内重新调整以满足另一个任务的设置。

这种芯片已经被微软的搜索引擎bing使用，微软说fpga已经将服务器在给定时间内可以处理的请求数量增加了一倍。此外，还有许多其他潜在的应用，汉堡王在微软的顶头上司彼得·李说。当一种特定的算法需要反复应用于数据流时，fpga就显得尤为突出。一种可能性是使用弹射器来加密计算机之间的数据流，以确保它们的安全性。另一种可能性是将其用于云连接手机的语音识别和图像识别任务。

这项技术并不完全是新的，但是使用它的原因直到现在还没有找到。伯格说，新发现是“云正以惊人的速度增长。”“现在摩尔定律的速度正在放缓，这使得增加足够的计算能力来匹配云计算变得越来越困难。因此，这样的后摩尔项目开始变得有经济意义。”

(9)3d芯片

除了鳍式晶体管，现代芯片非常扁平。但是包括ibm在内的一些公司正在研究将芯片堆叠在一起，就像一个接一个地建造一样，这样设计者就可以在给定的区域放置更多的晶体管。三星已经在销售由垂直堆叠的闪存制成的存储系统。去年，英特尔和美光(一家大型内存制造商)宣布，他们开发了一种新的内存技术，称为3d xpoint，它可以利用堆叠内存。

Ibm的研究人员致力于一些稍微不同的东西:一个三明治状的芯片，在处理逻辑片之间堆叠着内存片。这将使工程师能够在非常小的芯片上封装大量的计算，同时带来巨大的性能改进。传统计算机的主存储器离处理器只有几厘米远。就硅的速度而言，一厘米已经是很长的距离了。在这样的距离传输信号也是一种能量浪费。将存储器移入芯片后，这些距离从厘米减小到微米，这使得数据传输更快。

但是3d芯片面临两大问题。首先是热量。平板芯片在这方面已经够糟糕的了。在传统数据中，有数以千计的风扇冷却服务器，噪音是无穷无尽的。在增加堆叠层数之后，芯片内部的热量，即产生热量的地方，将比散热速率增加得更快。

第二个问题是如何获得电力。芯片通过其背面的数百个金属“引脚”与外界相连。现代芯片对功率的需求高达80%，金属引脚被设置为传输功率，只剩下很少一部分用于处理数据输入和输出。在3d形式中，这种限制甚至更大，因为相同数量的金属针必须满足比以前复杂得多的芯片的要求。

Ibm希望通过在3d芯片中放置微型内部管道来一石二鸟地解决这两个问题。微流体通道可以将冷却液输送到芯片的核心部分，同时带走内部空室中的所有热量。该公司已经在传统的平板芯片上测试了这种液体冷却技术。该研究小组的负责人bruno michel说，微流体系统最终可以从1立方厘米的空室内带走大约1千瓦的热量——几乎相当于电热器的输出热量。

液体不仅能冷却芯片，还能传递能量。受其生物学背景的启发，米歇尔将这种液体命名为“电子血液”。如果他能成功地完成它，这种液体对计算机芯片来说就像生物血液对生物体一样:它将在保持体温恒定的同时提供能量。米歇尔的想法是液流电池的变体:在液流电池中，两种液体在膜的两侧相遇并产生电流。

流动电池很容易理解。电力行业一直在研究液流电池作为一种储存可再生能源的方式。Michel的系统离商业化应用还有很多年，但原则已经确立:当ruch打开流量开关时，连接到管道的芯片将是“苏醒”——你看不到插头或电线。

第四，计算框架发生变化

(10)量子计算

量子技术可以在速度上实现巨大的飞跃，但只能在特定的应用中实现。

d-wave 2x是一个黑匣子，看起来有点像电影《2001:泰·空漫游》中神秘的黑色石板的微缩版。它不是一台普通的机器，它是世界上第一台商业化的量子计算机。目前，它已经与惠普、微软、ibm和谷歌建立了合作关系。

量子计算是一种完全不同的处理信息的方法。它在一些普通机器不能处理的问题上有很大的速度优势。即使摩尔定律可以无限延伸，这些问题也会继续困扰普通机器。

然而，量子计算经常被误解，有时被夸大。部分原因是该领域本身还很新，所以其理论基础仍在建设中。在某些任务上，量子机器无疑比最好的非量子机器更快。但在大多数其他任务中，这种优势并不明显。麻省理工学院的计算机科学家斯科特·阿拉朗森说:“在许多情况下，我们不能确定量子计算机是否会比众所周知的经典计算机更快。”可用的量子计算机将是一个好处，但是没有人能确定这个好处有多大。

一个例子是在一个大的数中找到质因数:在这个问题中，随着目标数变大，难度将成倍增加。换句话说，根据摩尔定律，芯片技术的每一次升级只能影响稍大的数量。决定主要因素构成了大多数密码的数学支柱，当数据在互联网上传输时，它可以保护数据，正是因为它非常困难。

两种非常规的量子现象，量子比特，或者说量子比特，在操作上完全不同。第一种是“叠加”状态，指的是一种连续的不确定状态，允许原子同时以不同的状态存在。例如，量子粒子没有特定的位置，只有出现在某个地方的可能性。在计算层面，这意味着一个量子位不是特定的1或0，而是以混合的方式存在。第二种量子现象是“牵连”状态，在这种状态下，不同粒子的发展是联系在一起的，所以如果一个粒子受到影响，它将立即反映在其他粒子上。这使得量子计算机可以同时处理所有的量子位。

因此，一台机器可以同时呈现和处理大量数据。例如，一台300比特的机器可以同时绘制2300个不同的1和0串，这几乎等于可见宇宙中的所有原子。此外，由于量子位是有牵连的，所以可以同时处理所有这些数字。

2.其他技术

光通信:用光代替电在计算机甚至芯片之间进行通信。这将减少能源消耗，促进发展。惠普，麻省理工学院。

更好的存储技术:构建新的快速、密集和廉价的内存来解决计算机性能的瓶颈。互联网，微米。

量子阱晶体管:量子现象是用来改变晶体管中电池的性能，提高性能，使摩尔定律可以重复，提高速度，降低能耗。

开发新的芯片和软件:在由专用芯片串构建的机器上自动编写代码。事实证明，这在软机器上特别困难。

近似计算:使计算机内部表示数更加准确，从而减少每次计算的位数，节约能源；允许计算机在计算中随机犯小错误，并且可以释放其他成对的位，这也可以节省能量。华盛顿大学，微软。

神经形态计算:模型开发设备基于动物大脑中处理信息的缠结和紧密连接的神经束。这可以减少能量消耗，并且它被证明对于识别模式和其他人工智能相关的任务是有用的。Ibm，高通。

碳纳米管晶体管:这些轧制的石墨片保证了低功耗和高速度，就像石墨烯一样。与石墨烯不同，它们可以很容易被关闭。但是很难进行定量生产。Ibm，斯坦福大学。

5.摘要

摩尔定律的终结将使计算机行业更加复杂。在摩尔定律的顶峰时期，工业非常简单。以可预测的方式和速度升级计算机。随着节奏被打乱，计算机行业将变得更加复杂。与智能设计和巧妙的编程类似，奔腾芯片设计师鲍勃·科尔韦尔说:“但是许多一次性的创造性集合不能弥补潜在索引的缺乏。”

与以前相比，发展将变得更加不可预测，限制将会增加，速度将会减慢。arm的芯片设计师greg yeric说:“随着摩尔定律的消失，我们被迫在三个方面做出艰难的选择，即强度、性能和成本。”"一个具体的答案不能完美地服务于所有的终端."

摩尔定律的曙光将带来机遇、混乱和大量破坏性的创造力。一个依靠大量设备稳步升级的行业将会被撕裂。

软件公司将开始进入硬件生产；硬件制造商需要改进他们的产品，以满足用户日益多样化的需求。然而，正如科尔韦尔所说，请记住，消费者并不在乎摩尔定律:“大多数购买电脑的人甚至知道晶体管的用途。”他们只是想要这个产品，他们购买它是为了更好更有用。在过去，这意味着他们中的大多数人在速度上获得了指数增长。这条路已经走过了艰难的一天。但是仍然有很多其他的方法来制造更好的电脑。

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