摩爾定律為什么會(huì )消亡？

2023 年 3 月 24 日，戈登·摩爾去世。戈登·摩爾發(fā)明摩爾定律。他是英特爾公司的創(chuàng )始人之一。1929 年，摩爾出生在美國舊金山，1965 年提出「摩爾定律」，1968 年創(chuàng )辦英特爾公司，1990 年被布什總統授予「國家技術(shù)獎」。他是科學(xué)家與富豪融為一身的雙面人。

摩爾定律核心內容是集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經(jīng)過(guò) 18 個(gè)月到 24 個(gè)月便會(huì )增加一倍。換言之，處理器的性能大約每?jì)赡攴槐?，同時(shí)價(jià)格下降為之前的一半。

摩爾定律的重要性在于它對現代計算機和電子產(chǎn)品的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。它為半導體工業(yè)提供了一個(gè)穩定的指導原則，以促進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展和成本的降低。這使得計算機、移動(dòng)設備、數碼相機、音頻和視頻設備等現代電子產(chǎn)品不斷升級，功能越來(lái)越強大，同時(shí)價(jià)格越來(lái)越實(shí)惠。

近年來(lái)，科技界流傳著(zhù)一種觀(guān)點(diǎn)：「摩爾定律已經(jīng)失效」。芯片制造商雖然使用各種手段來(lái)跟進(jìn)摩爾定律的步伐，但還是無(wú)法避免摩爾定律的加倍效應已經(jīng)開(kāi)始放緩的事實(shí)，不斷地縮小芯片的尺寸總會(huì )有物理極限。2021 年，時(shí)任英特爾公司 CEO 的帕特·基辛格公開(kāi)表達認為「摩爾定律仍然有效」，他預測未來(lái)十年摩爾定律將繼續保持，甚至更新迭代速度會(huì )更快。

以下是您需要了解的有關(guān)摩爾定律的所有信息：它對處理器意味著(zhù)什么、為什么人們說(shuō)它正在消亡，以及公司如何尋找解決方法。

芯片行業(yè)數十年來(lái)運作方式的描述性法則

根據摩爾定律的法則，如果業(yè)界能夠在一年內生產(chǎn)出具有 100 萬(wàn)個(gè)晶體管的處理器，那么在兩年內，就有可能生產(chǎn)出 200 萬(wàn)個(gè)晶體管的芯片。

這很大程度上與芯片通過(guò)工藝節點(diǎn)制造的方式有關(guān)。每一個(gè)新工藝都應該比上一個(gè)更密集，這就是該行業(yè)幾十年來(lái)能夠滿(mǎn)足摩爾定律預測的原因。那么為什么要一直增加晶體管的數量，而不每年制造更大的芯片呢？因為單個(gè)芯片只能這么大。迄今為止大體積制造的芯片最大可達 800mm2，可以輕松放入手掌中。因此，需要更高的密度才能將更多的晶體管放入芯片中。

在歷史的大部分時(shí)間里，晶圓廠(chǎng)能夠每一兩年推出新的工藝節點(diǎn)，并保持摩爾定律的發(fā)展。此外，新節點(diǎn)還提高了頻率（有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為性能）和能效，因此使用最新工藝通常是公司想要的，除非他們正在做一些基本的東西。

摩爾定律是如何消亡的

業(yè)界預計每年都會(huì )出現新節點(diǎn)，但到了 21 世紀，一個(gè)令人擔憂(yōu)的跡象出現了，即登納德縮放比例的結束，該縮放比例預測更緊湊的晶體管將能夠達到更高的時(shí)鐘速度，但在 2000 年代中期的 65 納米大關(guān)左右，這一情況不再成立。在如此微小的尺寸下，晶體管表現出了物理學(xué)家無(wú)法預見(jiàn)的新行為。

但與 2010 年代初期世界上幾乎所有晶圓廠(chǎng)在 32 納米左右遇到的危機相比，登納德微縮技術(shù)的結束算不了什么。將晶體管縮小到 32 納米以下極其困難，多年來(lái)，英特爾是唯一一家成功過(guò)渡到 22 納米節點(diǎn)的公司，這是 32 納米之后的下一個(gè)全面升級。直到 2010 年代中期，英特爾的競爭對手才得以迎頭趕上，但到那時(shí)，行業(yè)已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。

上圖顯示了多年來(lái)能夠在特定年份和特定代中制造行業(yè)領(lǐng)先節點(diǎn)的公司數量。這一數字多年來(lái)一直在下降，但在 2000 年代末至 2010 年代初似乎趨于穩定。然后，當公司開(kāi)始意識到超越 32 納米技術(shù)有多么困難時(shí)，他們就認輸了。當時(shí)有 14 家尖端晶圓廠(chǎng)達到了 45 納米節點(diǎn)，但只有 6 家達到了 16 納米節點(diǎn)。如今，這些晶圓廠(chǎng)中只有三個(gè)仍然處于領(lǐng)先地位：英特爾、三星和臺積電。然而，許多人預計三星或英特爾最終會(huì )加入倒下的行列。

即使是能夠開(kāi)發(fā)這些新節點(diǎn)的公司也無(wú)法與舊節點(diǎn)的一代又一代的收益相媲美。讓芯片變得更密集變得越來(lái)越困難；比如臺積電的 3nm 節點(diǎn)就沒(méi)有縮小緩存，這是災難性的。雖然每一代的密度增益都在下降，但生產(chǎn)成本卻越來(lái)越高，導致每個(gè)晶體管的成本自 32nm 以來(lái)一直停滯不前，這使得以更低的價(jià)格銷(xiāo)售處理器變得更加困難。性能和效率的提升也沒(méi)有以前那么好。

所有這些加在一起就意味著(zhù)摩爾定律對人們來(lái)說(shuō)已經(jīng)死亡。這不僅僅是因為未能每?jì)赡陮⒕w管數量增加一倍；問(wèn)題在于價(jià)格上漲、性能遭遇瓶頸以及無(wú)法像以前那樣輕松提高效率。這是整個(gè)芯片行業(yè)的生存問(wèn)題。

即使摩爾定律即將消亡，公司如何滿(mǎn)足摩爾定律的期望

雖然摩爾定律的消亡無(wú)疑是一個(gè)日益嚴重的問(wèn)題，但每年都會(huì )有關(guān)鍵參與者的創(chuàng )新，其中許多人正在尋找完全繞過(guò)困擾該行業(yè)多年的制造問(wèn)題的方法。雖然摩爾定律談?wù)摰氖蔷w管，但摩爾定律的精神只需滿(mǎn)足傳統的一代又一代的性能改進(jìn)就可以保持活力，并且該行業(yè)擁有大量可供使用的工具，而這些工具甚至在十年前還不存在。

AMD 和英特爾的小芯片技術(shù)（英特爾稱(chēng)之為「tiles」）不僅被證明能夠滿(mǎn)足摩爾定律的性能預期，甚至還能滿(mǎn)足晶體管的預期。雖然單個(gè)芯片確實(shí)只能有這么大，但理論上您可以在單個(gè)處理器中添加很多很多芯片。小芯片本質(zhì)上是一個(gè)小芯片，它與其他小芯片配對構成一個(gè)完整的處理器。AMD 在 2019 年采用小芯片，使該公司在臺式機和服務(wù)器中提供的核心數量增加了一倍。

另一方面，英偉達則自豪地宣布摩爾定律已死，并將一切賭注押在人工智能上。通過(guò)支持 AI 的 Tensor 核心加速工作負載，性能可以輕松提高一倍或更多，因此英偉達根本沒(méi)有觸及小芯片。然而，人工智能無(wú)疑是一種軟件密集型的解決方案。DLSS 是英偉達的 AI 驅動(dòng)的分辨率升級技術(shù)，需要游戲開(kāi)發(fā)者和英偉達雙方的努力才能在游戲中實(shí)現，而且 DLSS 也并不完美。

除了這兩個(gè)之外，唯一的其他選擇是簡(jiǎn)單地改進(jìn)處理器的架構，并從相同數量的晶體管中獲得更高的性能。歷史上，企業(yè)很難走這條路，雖然新一代處理器帶來(lái)了架構改進(jìn)，但性能提升通常只有個(gè)位數百分比。無(wú)論如何，芯片設計人員從現在開(kāi)始可能有必要更多地關(guān)注架構升級，因為這不僅僅是一個(gè)階段。