1965年,計算機(jī)技術(shù)尚處于起步階段,一位開創(chuàng)性的計算機(jī)工程師戈登·摩爾(Gordon Moore)寫了一篇讓當(dāng)時的技術(shù)人員倍感震驚的文章。摩爾的理論是,計算機(jī)的性能每12個月將會提升一倍,而該技術(shù)的成本同時下降50%。40年來,所謂的摩爾定律仍堅如磐石。
芯片性能還能提升嗎？" alt="當(dāng)摩爾定律不再適用后 芯片性能還能提升嗎？" src="http://images.ofweek.com/Upload/News/2017-03/14/lin/1489458524747055650.jpg" width="600" height="355"/>
但對于摩爾來說,這是艱難的日子。去年,摩爾參與創(chuàng)立的計算機(jī)芯片制造商英特爾表示,它們將處理性能翻倍的速度已經(jīng)減緩到30個月。2016年5月,麻省理工學(xué)院技術(shù)評論的頭條文章標(biāo)題為“摩爾定律已死”。
的確,計算機(jī)性能的提升速度正在放緩。這種放緩也確實是一個問題:我們承諾的許多下一代產(chǎn)品取決于更快、更強(qiáng)大、更便宜的芯片,而且它們的發(fā)展也印證了摩爾定律將會持續(xù)的假設(shè)。如果指數(shù)級增加放緩或停止,那么虛擬現(xiàn)實、人工智能、自動駕駛汽車、醫(yī)療,以及基因工程,甚至最新的智能手機(jī)的發(fā)展都會明顯延緩。
但從某個角度看,摩爾定律已死的報告可能嚴(yán)重夸大了事實。
芯片可以做到多小?
摩爾定律未死,但看上去命不久矣。如果它會復(fù)蘇,工程師和產(chǎn)品設(shè)計師必須尋找新的突破口。
“必須”不是建議,而是基于物理學(xué)定律。計算機(jī)工程師通過縮小芯片尺寸來提升其性能,但這種策略已經(jīng)過時了。在芯片設(shè)計中,我們一頭撞向了物理學(xué)和幾何學(xué)的高墻:作為一個實際問題,把芯片變得越來越小是非常困難的。
當(dāng)代芯片設(shè)計已經(jīng)將芯片各個組成部分之間的空間縮小到了十幾納米。如果您不是工程師,請您想象一張紙的厚度(約1毫米,相當(dāng)于100,000納米)。芯片內(nèi)部的空間大約是一張紙厚度的1/8000。雖然我們有可能進(jìn)一步縮減這些尺寸到7納米左右,但是業(yè)內(nèi)估計,僅僅開發(fā)7nm芯片原型就將耗資1億美元,而且全球只有3家公司有能力嘗試:臺積電(TSMC),三星,以及摩爾創(chuàng)立的英特爾。英特爾剛剛宣布投資90億美元研發(fā)7納米處理器,這至少需要四年時間。
我們完成了7納米后,從更小的空間就擠不出東西了。因此,提升計算技術(shù)的性能將歸結(jié)到我們在其他兩個領(lǐng)域的創(chuàng)新做得如何,它們是熱管理和功率密度。
發(fā)熱和功率問題是設(shè)計和器件的殺手。它們對創(chuàng)新也是致命的。受尺寸以及發(fā)熱和功率問題的限制,我們基本原地踏步。
步驟1:不要設(shè)計發(fā)熱的芯片
為了重新將計算能力的提升速度恢復(fù)到原來水平,我們必須突破熱管理的界限。這樣來考慮:為了讓汽車速度更快,我們需要更強(qiáng)大的引擎和更好的輪胎。但現(xiàn)在,幾乎我們做的一切都是提升引擎性能,致使輪胎爆胎。
發(fā)熱問題已經(jīng)阻礙了一些計算機(jī)工程的進(jìn)步,例如堆疊。堆疊是一種設(shè)計方案,計算機(jī)系統(tǒng)的各個部分,諸如處理器、存儲器和電源等等層層疊加。這縮短了遠(yuǎn)程命令,能量必須再機(jī)器內(nèi)傳遞,節(jié)省能源,并提高處理速度。
雖然堆疊的組件速度更快,但是它們產(chǎn)生的熱量相對于彼此分開時更多。它們的接近嚴(yán)重限制了工程師維持可行的安全溫度的能力。因此,芯片制造商高通和英特爾已經(jīng)拋棄了堆疊的想法。英特爾組裝和測試開發(fā)技術(shù)總監(jiān)Babak Sabi對EETimes雜志講:“沒人真正將邏輯存儲器堆疊,除非有人提出了熱解決方案……我不認(rèn)為會有人采用這種方案?！?br/>
舊的散熱技術(shù)依靠銅/鋁管和銅/鋁板來傳導(dǎo)和發(fā)散熱量。但是這些管和板很重,這使得它們在筆記本電腦、手機(jī),和汽車等產(chǎn)品中效率低下。它們同樣僵硬、不靈活,這使得它們成為了設(shè)計的噩夢,請嘗試圍著一張銅板設(shè)計一部光滑、性感的智能手機(jī)。
好消息是,由于熱技術(shù)阻礙了計算機(jī)整體性能的進(jìn)步,所以它的發(fā)展很快。未來的熱解決方案可能包括凝膠、漿料,以及新設(shè)計的柔性纖維,而不是沉重、剛性的材料。例如,NASA目前正在測試一種新的、輕便的柔性散熱材料,看起來和感覺上都很像天鵝絨。
步驟2:從功率投入中獲取更多的回報
如果熱問題束縛了摩爾定律,那么功率密度問題則讓摩爾定律徹底癱瘓。
功率密度是從設(shè)定的空間可以汲取的功率量。如果電池相同,更大的功率密度可以提供更多的功率,從而延長續(xù)航時間?；氐劫愜嚨念惐?如果計算機(jī)處理是發(fā)動機(jī),熱管理是輪胎,那么功率密度是燃料。
我們的計算機(jī)和其他電子產(chǎn)品越來越快,越來越強(qiáng),需要在越來越小的空間中集中越來越多的功率——但我們的電池技術(shù)卻只是緩慢前進(jìn)。正如三星Galaxy Note 7S告訴你的,在平衡更大的電源需求和更嚴(yán)格的設(shè)計規(guī)格方面,即使是最輕微的錯誤,也可能是災(zāi)難性的。
能量密度問題對于下一代移動計算產(chǎn)品,如機(jī)器人、無人機(jī)、空間探索設(shè)備,以及電動汽車而言,都是一個巨大的停止標(biāo)志。對于這些領(lǐng)域,功率密度就是一切。對于更多的休閑消費(fèi)者而言,缺乏功率密度的改進(jìn)正是你覺得自己的手機(jī)電池電量快速下降的原因。
使問題更進(jìn)一步復(fù)雜化的是,能量密度和熱管理是相關(guān)的問題。儲存,電池充電,以及牽引供電都會產(chǎn)生熱量。因此,每當(dāng)工程師突破一個邊界時,另一方面的因素就會變得更加復(fù)雜。
芯片技術(shù)的未來
但是,我們所面臨的并非全是厄運(yùn)和黑暗。我非常樂觀地認(rèn)為,科學(xué)家和工程師們很快就會讓摩爾定律的步伐跨越熱管理和功率密度。我有信心的原因之一是,克服這些技術(shù)、工程和設(shè)計挑戰(zhàn)的誘因是由消費(fèi)者驅(qū)動的。消費(fèi)者希望電池續(xù)航時間更長,筆記本電腦不太熱;他們優(yōu)先考慮更薄、更輕的產(chǎn)品,而不是處理能力更強(qiáng)的產(chǎn)品。因此,當(dāng)涉及到風(fēng)險/回報的商業(yè)決策時,解決掉發(fā)熱和功率問題可以獲得可觀的經(jīng)濟(jì)回報。
另一個樂觀的原因是,創(chuàng)新減速造成了技能鏈的松弛,這意味著,我們在熱能或能源技術(shù)中每前進(jìn)一步,都可能在其他方面解鎖相應(yīng)的進(jìn)步。
當(dāng)這種情況發(fā)生時,新產(chǎn)品和新技術(shù)的涌現(xiàn)將變得快速而激烈,這會同時恢復(fù)并摧毀摩爾定律。摩爾預(yù)測,技術(shù)進(jìn)步可能不是線性的,但最終它可能變得更加激動人心。