摩爾定律消退后 計算機行業(yè)將如何發(fā)展？

　　摩爾定律最早由英特爾聯(lián)合創(chuàng )始人 Gordon Moore 提出，內容是：當價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件數量約每隔 18-24 個(gè)月就會(huì )增加一倍，性能也將提升一倍。后面 Moore 修正了模型，變?yōu)椋簡(jiǎn)挝幻娣e芯片上的晶體管數量每?jì)赡昴軐?shí)現翻番。

　　誰(shuí)也想不到，這個(gè) 1971 年提出的定律，竟能支配計算領(lǐng)域長(cháng)達 44 年的時(shí)間。直到今天，英特爾官方宣布，放棄過(guò)去十年堅持的 Tick-Tock 處理器發(fā)展模式，通過(guò)延長(cháng)制造工藝的生命周期，將之前的處理器研發(fā)周期從 “兩步” 變成 “三步”：

　　制程工藝(PROCESS)

　　架構更新(ARCHITECTURE)

　　優(yōu)化(OPTIMIZATION)。

　　英特爾 CEO Brian Krzanich 表示，“我們的更新周期已經(jīng)從 2 年延長(cháng)到了 2 年半?！?/p>

　　這意味著(zhù)對于英特爾而言，摩爾定律已經(jīng)失效。

　　摩爾定律的失效，并不出乎人們的意料。微軟研究院的副總裁 Peter Lee 曾經(jīng)開(kāi)玩笑說(shuō)：“預測摩爾定律將會(huì )失效的人數，每 2 年都會(huì )翻上一番?！?而在英特爾官方宣布放棄追求摩爾定律曲線(xiàn)的時(shí)候，這一天也就到來(lái)了。

　　摩爾定律對整個(gè)計算產(chǎn)業(yè)有著(zhù)舉足輕重的影響。我們最為關(guān)心的是，在摩爾定律之后，計算領(lǐng)域會(huì )發(fā)生什么改變?答案就在以下十大方向，包括：

　　1、從根本上改變芯片的設計：包括 3D 維度的芯片設計、周?chē)鷸艠O、量子隧穿效應等。

　　2、尋找硅材料的替代品：包括硅 - 鍺(SiGe)、合金隧道、III-V 材料設計、石墨烯、自旋晶體管等。

　　3、從現有晶體管尋找出路：多核芯片、特制芯片、新品種芯片。

　　4、計算框架的變革：量子計算框架、光通信、量子阱晶體管、神經(jīng)形態(tài)計算、近似計算。

　　摩爾定律的黃昏將帶來(lái)機遇、混亂和大量的摧毀性創(chuàng )意。一個(gè)原本依賴(lài)于大量設備穩步升級的行業(yè)將被撕碎。那么計算的未來(lái)，究竟會(huì )怎樣發(fā)展?

　　摩爾定律背后的物理瓶頸

　　摩爾定律的黃昏與計算行業(yè)的黎明摩爾定律并不是一套 “物理定律”，而是大公司定義的經(jīng)濟規則。在以英特爾為首的芯片公司定義了一套游戲規則，要在兩年的時(shí)間里把晶體管數量增加一倍，同時(shí)成本減少一半。

　　過(guò)去這套經(jīng)濟規則并沒(méi)有違反物理定律。研究人員發(fā)現，當晶體管在體積變小時(shí)，性能也會(huì )變得更好：

　　體積較小的晶體管在開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)需要的能量更少、速度也更快。這意味著(zhù)你可以使用更多更快的晶體管，而無(wú)需付出更多能量或產(chǎn)生更多廢熱，因此芯片可以在越做越大的同時(shí)、性能也越來(lái)越好。

　　能做到這一點(diǎn)的公司獲得了成功，而做不到的則逐漸被歷史淘汰。但當晶體管尺度變小到小型化的極限 “原子尺寸” 的時(shí)候，事情變得和人們期待的有所不同。

　　在這種原子尺寸下，現代晶體管的源極和漏極非常接近，大約是 20 納米的量級。這會(huì )引起隧道泄露，剩余電流能夠在裝置關(guān)閉的時(shí)候通過(guò)，浪費了電量和產(chǎn)生不必要的熱量。

　　從這個(gè)來(lái)源產(chǎn)生的熱量會(huì )導致嚴重的問(wèn)題。許多現代芯片都必須低于最高的速度運行，或者周期性的關(guān)閉部分開(kāi)關(guān)以避免過(guò)熱，這限制了它們的性能表現。

　　現在的芯片晶體管間距已經(jīng)在 10 納米左右的量級了。減小間距會(huì )帶來(lái)非線(xiàn)性的成本增加，根據國際商務(wù)戰略公司 CEO Handel Jones 的估計，當業(yè)界能夠生產(chǎn)晶體管間距 5 納米的芯片時(shí)(根據過(guò)去的增長(cháng)率來(lái)看可能出現在 2020年 代早期)，晶圓廠(chǎng)的成本可能飆升到超過(guò) 160 億美元，這是英特爾目前年營(yíng)收的三分之一。

　　2015 年英特爾的年營(yíng)收是 554 億美元，只比 2011 年增長(cháng)了 2%。這種營(yíng)收的緩慢增長(cháng)與成本的大幅上漲，帶來(lái)了顯而易見(jiàn)的結論：從經(jīng)濟的角度來(lái)看，摩爾定律已經(jīng)過(guò)時(shí)了。