后摩尔定律时代 谁来主导芯片产业

2010-03-23 10:55:14来源: 计算机世界

      在摩尔定律引领下的集成电路生产正在逼近物理定律的极限,芯片产业迫切需要替代技术。目前尚处于研发状态中的各种新的芯片生产技术—分子计算、生物计算、量子计算、石墨烯等技术中,谁将最终胜出?
 
    1975年,芯片产业的先驱戈登•摩尔(Gordon Moore)发布了著名的摩尔定律:集成电路芯片的复杂程度每过两年就会增加一倍。此后的几十年来,在这一定律的指引下,芯片制造工艺的进步让芯片的晶体管尺寸得以不断缩小,从而使电气信号传输的距离更短,处理速度也更快。
 
    对电子行业和消费者来说,摩尔定律意味着计算机类设备的尺寸将变得更小、速度更快、成本更低。当然,这一切都要归功于半导体设计和制造方面坚持不懈的创新,35年来芯片在一如既往地遵循这条轨迹。不过,工程师们也清楚,摩尔定律终究会在某个时候陷入绝境,因为晶体管会变得只有几十个原子那么厚。这么小的尺寸正在逼近基本的物理定律的极限,而实际上在逼近这个极限前就已经出现了两个很实际的问题:想把这么小的晶体管如此近地放在一起,又要获得高产量(质量合格的芯片,而不是有瑕疵的芯片),成本会变得过于高昂;而另一方面,一大堆晶体管进行开关操作时产生的热量会急剧攀升,足以烧毁元件本身。
 
    的确,这些问题几年前已经开始显现了。如今普通的个人电脑普遍采用“双核”芯片——意味着使用两个小处理器,而不是一个处理器,这种设计的一个非常主要的原因是,如果把所需数量的晶体管封装到一块芯片上并解决散热问题已变得困难重重。芯片设计人员改而选择并排放置两块或更多块芯片,并对它们进行编程,以便并行处理信息。
  摩尔定律最终可能会寿终正寝。如果真是那样的话,工程师们该如何继续制造出功能更强大的芯片呢?改用新的架构或者研发可以逐个原子组装的纳米材料是研究人员正在研究的两种办法。另外一些办法还包括量子计算和生物计算。下面会介绍一些技术,其中一些目前还处于原型阶段。在接下来的20年里,这些技术有望让计算机继续遵循“尺寸更小、速度更快、成本更低” 这条道路向前发展。
 
    散热:研发新型散热器
 
    由于一块芯片上的晶体管数量多达10亿只,消除晶体管在开关操作时生成的热量是一大挑战。虽然个人电脑里面有空间容纳风扇,但即便如此,每块芯片约100瓦的功耗却已是其散热极限。为此研究人员开始设计一些新颖的替代技术。MacBook Air笔记本电脑采用由热传导铝制成的精美外壳,并充当散热器。在苹果Power Mac G5个人电脑中,液体(水)从处理器芯片下面的微通道流过以散热 。
 
    不过,液体和电子器件却是一个不可靠的组合,像智能手机这些比较小的便携式装置根本没有地方来容纳管道或风扇。英特尔的一支研究小组已把一层碲化铋超晶格薄膜做到芯片封装体中。温差电材料把温度梯度转变成电信号,实际上对芯片本身起到了散热效果。
 
    初创公司Ventiva正在普渡大学研究工作的基础上,研制一种没有活动部件的小型固态“风扇”,它利用电晕风效应(Corona Wind Effect)来生成一股微风—安静的家用空气净化器采用了这种技术。稍稍凹下去的格栅有带电导线,可以生成微型等离子体。这种气体状混合物里面的离子促使空气分子从带电导线转移到相邻极板,生成一股风。这种风扇生成的气流比普通的机械风扇大,而尺寸要小得多。其他创新公司则在制造斯特令发动机风扇(不过有些笨重),其特点是能生成风,又不用耗电,芯片冷热部位之间的温差是驱动这些风扇的动力。
 
    架构:多核成为主流
 
    更小的晶体管能够更快地进行开关操作(表示0和1),因而芯片速度更快。但是当芯片达到散热极限后,时钟频率(芯片在一秒内可以处理的指令数量)也就无法再提高,保持在三四兆赫兹。人们希望在散热和速度极限范围内获得更高的性能,于是设计师们把两个处理器或核心放在同一块芯片上。虽然每个核心的运行速度与之前的处理器一样快,但由于两个核心并行工作,所以在特定的时间内能够处理更多数据,耗电量比较低,散热也比较少。现在最新的个人电脑采用四核处理器,比如英特尔i7和AMD Phenom X4。

    多核给软件带来了挑战。世界上功能最强大的超级计算机里面有数千个核,而在普通的消费类产品中,即便只是想极高效地利用几个核心,都需要新的编程技术来划分数据和处理,并且协调任务。上世纪八九十年代,研究人员已经为超级计算机解决好了并行编程的基础性工作,而现在的难题是开发出用来编写消费类应用软件的语言和工具。据悉,微软研究部门已发布了F#编程语言。瑞典爱立信公司推出的一门早期语言Erlang催生出了几门更新的语言,包括 Clojure和Scala。伊利诺斯大学等院校也在为多核芯片研发并行编程技术。
 
    如果这些方法能得到完善,桌面和移动设备就可以有几十个或更多个并行处理器,这些处理器单个所含的晶体管数量都少于现有芯片,但作为一个整体,运行速度更快。

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关键字:摩尔定律  芯片产业

编辑:刘志青 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/manufacture/2010/0323/article_2766.html
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