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摩尔定律消亡史?

2018-12-12
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摩尔定律的制胜法则是Scaling:即用更先进的制程,更细的刻刀,去刻晶体管,这样在单位面积里面放的晶体管就更多,在单位面积里有更多的功能,每个晶体管的功耗也会更小。


全文1232字,阅读需5分钟


近日半导体行业均受到华为带来的震荡,我们相信世界还有能捍卫公平的土地,静候佳音。今天我们不议政事,只谈科技。


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摩尔定律是什么
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如果说半导体行业是个江湖,摩尔定律就是传说中的那本心法。



摩尔定律

1965年,英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出摩尔定律。


即集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,芯片的性能也会得到提高。



我们可以发现,与其说是定律,不如说一种假想,且在过去的半个世纪里,一直在发生的现象。


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摩尔定律如何生效
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摩尔定律的制胜法则是Scaling:

即用更先进的制程,更细的刻刀,去刻晶体管,这样在单位面积里面放的晶体管就更多,在单位面积里有更多的功能,每个晶体管的功耗也会更小。



在此理论基础上有两大推动力让摩尔定律生效:


  • 制程推动


芯片制程工艺的升级从90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、14nm到现在的10nm、7nm。通过不断的更新制程,把晶体管做得越小,则集成电路上可容纳的晶体管数目也就越多。


图示为英特尔公司芯片制程升级的历程总览,

但14nm、10nm制程均有延期。


  • 市场推动


除了肉眼可见的推动力,市场还有双看不见的手。重资产市场对于成本控制非常敏感。有了摩尔定律立的靶子,市场对成本降低的预期就是每两年有革新,这促使着各个厂商去吻合摩尔定律,以确保自己在竞争中立于不败之地。

电子消费品的需求更新周期也基本吻合18-24个月的时间点,短于18个月人们不愿意为更换设备付出成本,长于24个月又无法满足新鲜的感官。

半导体产业是个牵一发动全身的领域,庞大的上下游企业群,当一项技术要革新或者突破,需要得到配套支持的。而摩尔定律作为纽带,把大家聚焦在同一个目标上,实现产业的迭代升级。


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摩尔定律会消失吗
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摩尔定律能够一直持续吗?它没有极限吗?

近些年,唱衰的声音不绝于耳,英伟达CEO黄伟勋在GPU技术大会更是明确提出了“摩尔定律已死”。发生了什么,它没有办法持续了呢?让我们来看张图:



这是CPU在过去四十年的进展。随着时间不断推进,他的进步速度已于近年停滞。英特尔的制程推迟更是加重了众人的担心。摩尔定律的维系遇到以下两方面的问题:



  • 物理极限


特征尺寸shrink,越来越接近于物理极限,需要采用更先进的设备,更复杂的工艺流程。研发周期变长, 同时研发费用和生产费用也随之上升。


  • 功耗上升/单位面积


每个器件的功耗越来越小,但是单位面积晶体管的数字在快速增加,随着器件变小,单位面积功耗在急速上升,尤其是静态功耗。你没在使用的时候,这个功耗在快速的上升。在20纳米发生了一个特殊的事情,静态功耗超过了动态功耗,这是行业遇到的一个巨大的挑战。


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后摩尔定律时代
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统治半导体行业半个世纪的摩尔定律走下神坛,曾因为对规模和制造的追求而被挤压的创新空间又回来了,有几个方向可以跳出摩尔定律划定的圈限:


  • 优化算法和系统


我们的目标一直是在成本不上涨(甚至更低)的前提下,性能最优。硬件和软件的优化只是实现目标的路径不同。

美国有个组织叫半导体产业协会(SIA),每年会发布ITRS,就是工业半导体的路线图,会把摩尔定律遇到的问题,分解成几百个问题,然后大家分门别类去解决这些问题。

曾经摩尔定律是盏明灯,它让大家聚焦在硬件上,集中火力攻克难关。现在这盏灯换成了算法和系统,我们并不是失去了方向。


  • 专用芯片


图形处理单元(GPU)就是其中的一个例子。定制专用处理器也可应用在神经网络、自动驾驶汽车的计算机视觉、语音识别和物联网设备等应用中。

这些专用芯片设计可以提供一系列改进,例如更高的效能比。采用定制设计的芯片厂商包括市场领头羊英特尔、谷歌、Wave Computing、英伟达和IBM等。


  • 云计算


摩尔定律“诞生”于20世纪60年代中期,比计算机科学家蒂姆·伯纳-李(Tim Berners-Lee)发明万维网早了四分之一世纪。虽然自问世起摩尔定律一直有效,但在万物互联的时代,对本地处理能力的需求减少了。

云计算技术意味着,许多大型计算问题可以由位于其他地方的大型数据中心中的大规模并行系统完成,这些系统包含的晶体管数量,是单台计算机的许多倍。人工智能任务尤其如此,例如我们在手机上使用的语音助手等。

通过在其他地方处理任务,并在处理完成时将答案传回本地计算机,机器的智能程度可以按指数级提高,而无需每隔18个月左右升级其处理器。


  • 新材料和配置


硅谷之所以被称为硅谷是有原因的,但研究人员正在忙着研究未来可能由硅以外的其他材料制成的芯片。例如,晶体管从2D升级到3D形式排列在芯片中,提高芯片集成的晶体管数量。其他材料,如位于元素周期表中第三和第五列的元素,可以取代硅成为制造芯片的材料,因为它们的导电性更高。

目前最热的第三代半导体GaN、SiC已经能够规模量产,且被视为摩尔定律的后继力量,凭借其宽禁带、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力等特点,在许多应用领域拥有前两代半导体材料无法比拟的优点,有望突破第一、二代半导体材料应用技术的发展瓶颈,市场应用潜力巨大。


  • 量子计算


量子计算机现在还是一种实验性和非常昂贵的技术。它与我们所熟知的基于晶体管的二进制数字电子计算机完全不同。

量子计算不是将数据编码为0或1,而是处理量子比特,这些量子比特的值可以同时为0、1以及0和1。长话短说,这些状态的叠加,可以使量子计算机的运行速度和效率远远超过当前的主流计算机。

制造量子计算机面临诸多挑战(首先,它们需要在温度很低的环境中运行)。但是,如果工程师能够解决这个问题,我们或许能够以极其快的速度——让戈登·摩尔感到目眩——推动技术的巨大进步。


这些大多都建立在更创新的算法和系统、更大型的计算处理设备、更先进的技术推进,去实践升维层面的竞争。而我司致力的氮化镓材料,就是为未来趋势做好准备,为大家起飞前铺好赛道。摩尔定律消亡了吗?这或许是另一个时代的曙光。



资料来源说明:部分观点来自于机器之心、Digital Trends、新浪财经、网络整理。特别鸣谢:Bruce提供思路、Joshua&Peter校稿


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