摩爾定律走向黃昏與晶片業的下個黎明何在？

作者 36Kr | 發布日期 2016 年 03 月 28 日 13:58 | 分類 晶片 , 電腦

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摩爾定律最早由英特爾聯合創始人 Gordon Moore 提出，內容是：當價格不變時，積體電路上可容納的元器件數量約每隔 18-24 個月就會增加一倍，性能也將提升一倍。後面 Moore 修正了模型，變為：單位面積晶片上的電晶體數量每兩年能實現翻倍。

誰也想不到，這個 1971 年提出的定律，竟能支配電腦計算領域長達 44 年的時間。直到今天，英特爾官方宣布，放棄過去 10 年堅持的 Tick-Tock 處理器發展模式，透過延長製程的生命周期，將之前的處理器研發周期從 「兩步」 變成 「三步」：

• 製程（PROCESS）
• 架構更新（ARCHITECTURE）
• 優化（OPTIMIZATION）。

英特爾 CEO Brian Krzanich 表示，「我們的更新周期已經從 2 年延長到了 2 年半。」

這意味著對於英特爾而言，摩爾定律已經失效。

摩爾定律的失效，並不出乎人們的意料。微軟研究院的副總裁 Peter Lee 曾開玩笑說：「預測摩爾定律將會失效的人數，每 2 年都會翻上一倍。」 而在英特爾官方宣布放棄追求摩爾定律曲線的時候，這一天也就到來了。

摩爾定律對整個電腦產業有著舉足輕重的影響。我們最為關心的是，在摩爾定律之後，計算領域會發生什麼改變？答案就在以下十大方向，包括：

1. 從根本上改變晶片的設計：包括 3D 維度的晶片設計、周圍尸匣極、量子穿隧效應等。
2. 尋找矽材料的替代品：包括矽-鍺（SiGe）、合金隧道、III-V 材料設計、石墨烯、自旋電晶體等。
3. 從現有電晶體尋找出路：多核心晶片、特製晶片、新品種晶片。
4. 計算框架的變革：量子計算框架、光通信、量子阱電晶體、神經形態計算、近似計算。

摩爾定律的黃昏將帶來機遇、混亂和大量的摧毀性創意。一個原本依賴於大量設備穩步升級的產業將被撕碎。那麼電腦的未來，究竟會怎樣發展？

摩爾定律背後的物理瓶頸

摩爾定律並不是一套 「物理定律」，而是大公司定義的經濟規則。在以英特爾為首的晶片公司定義了一套遊戲規則，要在兩年的時間裡把晶體數量增加一倍，同時成本減少一半。

過去這套經濟規則並沒有違反物理定律。研究人員發現，當電晶體在體積變小時，性能也會變得更好：

體積較小的電晶體在開啟關閉時需要的能量更少、速度也更快。這意味著你可以使用更多更快的電晶體，而無需付出更多能量或產生更多廢熱，因此晶片可以在越做越大的同時、性能也越來越好。

能做到這一點的公司獲得了成功，而做不到的則逐漸被歷史淘汰。但當電晶體尺度變小到小型化的極限 「原子尺寸」 的時候，事情變得和人們期待的有所不同。

在這種原子尺寸下，現代電晶體的源極和汲極非常接近，匣極尺寸縮減，大約是 20 奈米的量級。這會引起穿隧效應，剩餘電流能夠在裝置關閉的時候通過，浪費了電量和產生不必要的熱量。

 ▲ 製程縮小下，電晶體中的源極與汲極的距離縮減，也容易造成穿隧效應（圖片來源：維基百科）

從這個來源產生的熱量會導致嚴重的問題。許多現代晶片都必須低於最高的速度運作，或者周期性的關閉部分開關以避免過熱，這限制了它們的性能表現。

現在的晶片電晶體間距已經在 10 奈米左右的量級了。減小間距會帶來非線性的成本增加，根據國際商務戰略公司 CEO Handel Jones 的估計，當業界能夠生產電晶體間距 5 奈米的晶片時（根據過去的增長率來看可能出現在 2020 年代早期），晶圓廠的成本可能飆升到超過 160 億美元，這是英特爾目前年營收的三分之一。

2015 年英特爾的年營收是 554 億美元，只比 2011 年增長了 2%。這種營收的緩慢增長與成本的大幅上漲，帶來了顯而易見的結論：從經濟的角度來看，摩爾定律已經過時了。