1nm晶體管能救得了摩爾定律嗎？
40多年來摩爾定律一直是IT界的鐵律
但隨著芯片技術的發展摩爾定律所預言的發展軌跡似乎已逼近終點
這意味著固守傳統思路的芯片制造商將舉步維艱
最近美國團隊研制出的1納米晶體管對芯片商來說無異于最后通牒
他們將如何自我救贖?
最近美國勞倫斯?伯克利國家實驗室Lawrence Berkeley National Laboratory的一個研究團隊已經成功研制出柵極晶體管內的電流由柵極控制僅長1納米的晶體管號稱是有史以來最小的晶體管
這下很多人都不淡定了媒體紛紛疾呼摩爾定律沒戲唱了
眾所周知多年來計算機產業的發展始終遵循著摩爾定律摩爾定律認為半導體電路的晶體管的數量每18-24個月翻一倍而晶體管的尺寸對計算機技術的提高來說非常重要晶體管越小單個芯片上可容納的晶體管數量就越多;芯片上的晶體管數量越多處理器的速度越快效率越高同樣價格的電子產品性能時隔18-24個月后就會翻倍但是反過來看一個IT公司如果今天和18個月前賣掉同樣多的同樣的產品它的營業額就要降一半
這就是為什么幾十年來芯片制造商一直都在與摩爾定律苦苦斗爭不能做出更小的晶體管生存就面臨威脅但是現在這一切可能都要改寫
在長達40多年的時間里摩爾定律始終是IT界的鐵律然而進入21世紀以來摩爾定律似乎出現了放緩的跡象
隨著芯片技術的進一步發展摩爾定律逐漸遇到物理法則的限制業界普遍認為7納米是硅晶體管的一道坎一旦過了這個節點就會遇到問題因為一旦硅晶體管的柵極小于7納米電子就可以在不同的晶體管之間流動這種現象被稱為量子穿隧效應Quantum Tunneling它意味著晶體管可能會在原本應該是關閉的狀態下意外打開
但即使是7納米以上的晶體管也依然面臨從理論向實際跨越的難題目前最先進的芯片制程工藝采用的是14納米晶體管而采用10 納米晶體管的處理器如英特爾的Cannonlake處理器預計到2017年或2018才能推出這里提供一些參考一根頭發大約有10萬納米那么粗一個血紅細胞的直徑為6000納米就連一根DNA鏈也有2.5納米
與此同時對更高端的芯片的需求卻在一路飆升今天我們生產的數據量正在呈指數級增加而像機器學習這樣的新興技術正在對芯片的運算能力提出越來越高的要求
勞倫斯?伯克利國家實驗室無疑是一個了不起的科研成果因為這意味著單個芯片上容納的晶體管數量仍然可以成倍增長至少在理論上如此
但是這項研究還處于初期階段目前僅僅是一個概念要成為現實產品還有很長的路要走以14納米晶體管而言單個芯片上擁有的晶體管數量超過十億而勞倫斯?伯克利實驗室的團隊還沒有找到可以大規模生產1納米晶體管及新型芯片的方法即使找到了其造價也是極其昂貴的
當然即使僅僅作為概念該團對的研究成果仍然是重要的它證明了我們可以利用新材料來生產尺寸更小的晶體管以進一步提高計算機的功能和效率
事實上芯片業界已經接受了晶體管尺寸接近下限的現實并已經為摩爾定律的終結做了準備今年早些時候美國半導體工業協會Semiconductor Industry Association成員包括英特爾AMD和GlobalFoundries發表了一份報告這份報告宣稱到2021年硅晶體管尺寸的縮小將不再是一件經濟可行的事情取而代之的是芯片將以另一種方式發生變化
芯片專業化是目前比較靠譜的一種解決方案傳統上業界對所有芯片都是一視同仁但現在這種觀念可能要落伍了麻省理工學院斯隆管理學院的助理教授Neil Thompson說比如我們開的車就不盡相同18輪大卡車跑車SUV這些車設計出來都有專門的目的現在芯片也開始有這樣的分工
圖形處理器GPU就是一個例子GPU原本專為圖形渲染中執行復雜的數學和幾何計算而設計的但現在工程師們發現GPU也可以用于數據分析等其他領域
芯片行業開始從超高速的全能型芯片向更專業化的芯片轉變為此因特爾收購了視覺芯片創業公司Movidius與此同時Nvidia公司正在向全球銷售人工智能芯片
更高效的芯片也將有助于在降低能耗的基礎上提高計算速度微軟和英特爾都在研究可再編程芯片FPGA以更高效地運行人工智能算法日本軟銀最近收購了英國芯片開發商ARM以獲得該公司先進得令人難以置信的低功耗芯片該芯片將為正在崛起的物聯網硬件提供信息處理能力
而那些專業化程度不高的處理器可能會改變構造以提高信息處理能力例如芯片將越來越多地使用多層電路以提高晶體管密度
回顧摩爾定律的誕生
在1965年那篇著名的論文發表之前戈登摩爾Gordon Moore 是位于加州圣何塞的仙童半導體公司的研發總監他已經預測了家用計算機電子腕表自動駕駛汽車以及個人可移動溝通設備手機的誕生但1965年那篇關于后來被稱為摩爾定律的預測的論文真正使他名聲大噪這篇論文的核心是關于未來計算機行業發展的時間表基于對仙童以及其他半導體企業的了解摩爾預計每年每芯片的晶體管和其他電子元件的數量都將加倍
摩爾隨后在加州圣塔克拉拉創辦了英特爾不過在上述論文里他顯然高估了芯片更新換代的速度1975年他將這個預測修改到更為現實的兩年加倍隨后上世紀70年代和80年代隨著惠普個人電腦Apple II計算機和IBM PC等個人消費產品的誕生行業對芯片的處理能力要求越來越高體積要求越來越小摩爾的預言開始成真
這樣的發展是很昂貴的芯片處理能力的提升意味著將更多的電路集成到芯片中來從而電子可以從中移動地更快這也對影印石版術即將電路等微元件蝕刻到硅表面的技術的要求越來越高但是在半導體行業發展的鼎盛時期這并不是特別大的問題企業發展出了一個可謂自動升級的循環流程通過大規模制造和銷售少數種類的芯片主要是處理器和存儲芯片獲得大量收入然后投錢去改進工廠和設備結果是在提升芯片性能的同時仍能降低價格因此市場的需求也獲得進一步提升
不過很快這個市場驅動的模式也無法維持摩爾定律的高速度發展芯片制造的過程變得過于復雜常常包含幾百個步驟產品的升級意味著整個供應商和設備商需要在對的時間同時完成升級如果你需要40個家供應商而只有39家的產品有所升級那么所有的事情都得停下來 德克薩斯州大學奧斯汀分校研究計算機行業的經濟學家肯尼思弗拉姆 Kenneth Flamm表示
為了完成產業上下游的協調全球半導體行業開始制作了第一次的行業研發規劃藍圖目的是讓所有人都能大致知道他們的進度應該到哪如果在發展過程中遇到問題也可以警告所有同行保羅加爾吉尼表示美國半導體行業1991年推出了這項藍圖和戰略時任英特爾技術戰略總監的加爾吉尼成為該協會主席1998年來自歐洲日本中國臺灣和韓國的半導體行業協會也都紛紛加入該協會變成了國際組織
摩爾定律即將失效
摩爾定律可以說是整個計算機行業最重要的定律它其實是一個預言每兩年微處理器的晶體管數量都將加倍意味著芯片的處理能力也加倍這種指數級的增長促使上世紀70年代的大型家庭計算機轉化成8090年代更先進的機器然后又孕育出了高速度的互聯網智能手機和現在的車聯網智能冰箱和自動調溫器等
這個看起來自然而然的進程實際很大程度也是人類有意控制的結果芯片制造商有意按照摩爾定律預測的軌跡發展軟件開發商新的軟件產品日益挑戰現有設備的芯片處理能力消費者需要更新為配置更高的設備設備制造商趕忙去生產可以滿足處理要求的下一代芯片上世紀90年代以來半導體行業每兩年就會發布一份行業研發規劃藍圖協調成百上千家芯片制造商供應商跟著摩爾定律走這樣的戰略有時也被稱之為更多摩爾More Moore由于這份規劃藍圖的存在整個計算機行業才跟著摩爾定律按部就班地發展
但現在這種發展軌跡要告一段落了由于同樣小的空間里集成越來越多的硅電路產生的熱量也越來越大這種原本兩年處理能力加倍的速度已經慢慢下滑此外還有更多更大的問題也慢慢顯現如今頂級的芯片制造商的電路精度已經達到14納米比大多數病毒還要小但是全球半導體行業研發規劃藍圖協會主席保羅加爾吉尼Paolo Gargini表示到2020年以最快的發展速度來看我們的芯片線路可以達到2-3納米級別然而在這個級別上只能容納10個原子這樣的設備還能叫做一個‘設備’嗎?
恐怕不能到了那樣的級別電子的行為將受限于量子的不確定性晶體管將變得不可靠在這樣的前景下盡管這方面已經有無數研究但目前人們仍然無法找到可以替代如今的硅片技術的新的材料或技術
年初發布的行業研究規劃藍圖將史無前例地不以摩爾定律為中心相反新的戰略可能是超越摩爾More than Moore 與以往首先改善芯片軟件隨后跟上的發展趨勢不同以后半導體行業的發展將首先看軟件從手機到超級電腦再到云端的數據中心然后反過來看要支持軟件和應用的運行需要什么處理能力的芯片來支持由于新的計算設備變得越來越移動化新的芯片中可能會有新的一代的傳感器電源管理電路和其他的硅設備
這種局勢的轉變也改變了半導體行業圍繞摩爾定律不再團結一致大家都不確定新的研究規劃藍圖意味著什么愛荷華大學計算機科學家丹尼爾里德Daniel Reed表示位于華盛頓DC的半導體行業協會The Semiconductor Industry Association, SIA代表所有美國半導體企業已經表示不再參與全球半導體行業研究規劃藍圖的章程而是自行決定研發進度
盡管摩爾定律已經走向黃昏但這并不意味著半導體行業停止了發展丹尼爾里德將之與飛機制造行業進行比較現在的波音787并不比上世紀50年代的波音707快多少但這兩個型號的飛機可差太多了波音787的創新體現在其他地方比如全電子控制碳纖維機身等計算機行業也是如此創新將會繼續但是會體現在更細小和更復雜的地方
熱死亡
全球半導體行業協會遇到的第一個大的問題并非突然出現加爾吉尼在1989年就曾經對此進行過警告然而問題來臨之時對行業還是造成了不小的沖擊芯片變得太小
曾經只要我們可以將所有的東西都縮小問題就會自動解決加州圣塔克拉拉第三個千年測試解決方案Third Millennium Test Solutions公司的CEO比爾鮑特姆斯Bill Bottoms表示芯片會變得更快耗能更少
但是到了本世紀初微電路縮小到90納米以下的時候上述自動解決的方式開始不再靈光隨著越來越小的硅電路里的電子移動越來越快芯片開始變得過熱
這是一個很嚴重的問題處理器運行產生的熱量很難消除所以芯片制造商選擇了他們僅有的解決辦法加爾吉尼說設備商不再追求絕對的計算次數也就是處理器執行指令的速度這樣等于給芯片的電子運行速度加了上限同時限制了產生的熱量2004年以來這個運行速度的上限從沒變過
第二雖然速度無法再提升但為了將芯片性能按照摩爾定律進行提升制造商對芯片內部電路重新進行了設計每個芯片不再僅有一個處理器或內核而是兩個四個甚至更多現在的電腦和手機的芯片很多都是四核或者八核處理器總的來說原本一個千兆赫的內核現在可以分為四個250兆赫的內核不過在現實中要使用八個處理器意味著一個問題需要被分成八個部分很多算法很難甚至無法做到這一點如果有部分沒被利用等于你的處理速度升級還是受到了限制加爾吉尼說
盡管如此上述兩大措施的結合還是保證了制造商在發展進度上跟上了摩爾定律現在的問題是到2020年當微電路縮小到會受到量子效應影響的時候會發生什么情況?下一步會是什么樣子?我們還沒有解決方案參與制作新的行業規劃藍圖的一名工程師陳安音譯表示
對此行業內并不是沒有想法一種可能是去發展完全新的范式比如量子計算或者神經形態計算neuromorphic computing前者對于某些計算有潛力達到指數級的提升后者則是模擬大腦神經元的計算和處理方式但是這兩種范式目前仍還都存在實驗室研究階段而且很多研究人員認為量子計算只對某些特定領域有優勢而處理日常任務仍然是電子計算更優想想吧用量子計算去記賬是什么概念?加州伯克利勞倫斯國家實驗室的負責人約翰莎爾福John Shalf說
尋找其他材料
如果一定要保留電子計算的范式也有辦法那就是尋求一種毫伏開關一種在計算速度上不亞于硅晶片但發熱量顯著低于硅的材料可行的方案包括了2D類石墨烯復合材料到自旋電子材料spintronic materials 后者可以通過讓電子快速旋轉來進行計算現在的硅材料是電子發生移動來計算當你跳出現有的技術的限制就會發展可供研究開發的領域非常多半導體研究聯合體Semiconductor Research Corporationsrc的物理學家托馬斯西斯Thomas Theis表示
然而這些方案目前也都僅限于實驗室研究階段目前行業里仍未找到可以完全替代硅的材料于是不少研究人員開始在保留硅材料的前提下想辦法也就是從架構的角度將硅材料以全新的方式進行配置比如走向3D既然可以將電路蝕刻到硅平面的表面為何不試試打造成摩天大樓將表面已經蝕刻進電路的薄硅片堆積起來呈立體的形狀?然而現實中這種方式目前只能用于純存儲類芯片因為存儲類芯片不存在發熱過度的問題它們的電路只在與存儲單元 memory cell 接觸的時候才產生能耗而這種接觸發生的并不多目前存儲芯片的一些設計就采用了這種方式比如已經被三星美光科技使用的混合存儲立方體Hybrid Memory Cube類似夾心餅干 設計就是將多層存儲硅晶片堆起來
微處理器要做成3D的難度就大很多將一層又一層的發熱物體堆積起來只會讓它們變得更熱一種解決方案是將存儲和微處理器芯片完全分開至少可以分走50%的熱量雖然在兩者之間傳遞數據依然會產生新的熱量將它們在納米級別上一層一層堆起來做成3D
這在現實中依然很難實現因為目前微處理器和存儲芯片的制造流程完全不同無法在同一條流水線上進行生產要將它們堆起來需要對芯片的結構進行全面重新設計但是已經有不少研究機構正在朝這個方向努力并且有希望可以成功比如斯坦福大學的電子工程師蘇哈斯施米特拉Subhasish Mitra 和他的團隊已經設計出一種混合的芯片架構可以將存儲單元和碳納米管做成的晶體管上下堆到一起每層之間可以傳遞電流米特拉的團隊認為這種架構的耗能將只有現在的標準芯片耗能的千分之一或更低
移動化
除了發熱摩爾定律遇到的第二大挑戰是計算設備走向移動化
25年前計算機的概念只包括臺式電腦和筆記本電腦超級電腦和數據中心基本上使用的是和臺式和筆記本電腦一樣的微處理器不過就是數量多了些但是現在計算機的概念早已進行了延伸智能手機平板電腦智能手表和其他可穿戴設備等都是新的計算設備而這些新式計算設備對處理器的需求與其前輩電腦差別非常大
移動應用和數據都已經向云端的服務器轉移云服務器對于微處理器的要求更高更嚴格這對傳統的芯片制造商產生了很大影響里德舉例說谷歌微博和亞馬遜要買什么對于英特爾決定制造什么產品有巨大的影響
對于移動設備電池續航能力的重要性更加凸顯典型的智能手機的語音電話Wi-Fi連接藍牙GPS感知觸摸磁場甚至指紋識別都是要耗電的而且移動設備還需要內置特殊功能的電路用來管理電源和能耗以保證以上各個功能不快速把電池耗盡
對于芯片制造商來說這些特殊要求破壞了原本半導體行業的自動升級的經濟循環流程從而對摩爾定律產生挑戰原本的市場是你只需制造幾種產品但是每樣的銷量都有非常巨大的規模里德稱新的市場里你需要制造巨多種類的產品每種只能買個幾十萬件所以只有在設計和生產非常便宜的情況下才可以持續下去
而現實生產中將不同的技術放到同一設備中和諧運行簡直就是噩夢鮑特姆斯稱要將不同的配件不同的材料電子光子等打包到一起和諧運行需要新的架構新的模擬新的開關等等來解決
對于那些能源管理的特殊功能電路設計的流程更是無比緩慢和昂貴在加州大學伯克利分校電子工程師阿爾伯托圣喬瓦尼-文森特利Alberto Sangiovanni-Vincentelli 及其團隊正在對此進行改變他們覺得人們應該通過組合各種現有的帶有各種功能的電路創造新的設備就像搭樂高積木阿爾伯托說其挑戰就在于如何讓這些積木搭起來之后能夠各自運營工作但是如果你使用舊的設計方法的話成本就太大了
芯片商如今最關心的可能就是成本問題了摩爾定律的終結不是技術問題而是經濟問題鮑特姆斯說包括英特爾在內的一些公司依然試圖在達到量子效應之前繼續縮小元件體積但是產品縮得越小成本越高
每次產品體積縮小一半生產商就需要全新的更準確的影印石版機器如今建立一條全新的生產線往往需要投入幾十億美元這個成本僅有少數幾家廠商可以承受而由移動設備帶來的市場碎片化使得籌集這樣的資金更加困難一旦下一代的每晶體管成本超過現有的成本產品更新就會停止很多業內人士認為半導體行業已經非常接近這個產品更新停止的階段
是的過去十年芯片行業成本的提升導致了企業間大量的重組并購如今世界上絕大多數的芯片生產線都屬于少數幾家企業比如英特爾三星和臺積電等這些芯片制造巨頭與原材料和設備供應商的關系密切互相之間也開始協調發展世界半導體協會制造的行業研發藍圖也因此不再至關重要
美國的行業研究機構src曾經長期支持行業發展藍圖但是三年前src對此熱情不再因為我們的會員公司覺得這個藍圖沒那么有用了src的副總裁斯蒂文希勒尼斯 Steven Hillenius表示src和美國半導體行業協會SIA一起希望推動更加長期的基本的研究日程并且爭取獲得聯邦基金的支持最好是通過去年七月白宮發布的國家戰略計算倡議National Strategic Computing Initiative
src和SIA自己的研究日程于去年九月份發布提到了未來行業面臨的幾大問題首先是能源效率特別是物聯網帶來的耗能比較大的各類智能傳感器;其次設備聯網也是同等重要連接云端的各類設備互相溝通需要大量的帶寬;最后是安全性src和SIA呼吁行業開發新的抵御網絡攻擊和數據盜竊的安全措施
英特爾的高級微處理器研究負責人謝加博卡爾Shekhar Borkar對這一切卻持樂觀態度他說雖然由于硅晶片的指數級增長無法持續摩爾定律正在走向終結但是從消費者的角度來說摩爾定律的含義其實表達的是他們將產品買到手中獲得的價值每兩年在翻番從這個意義上講只要這個行業不斷為設備增加新的功能摩爾定律就能持續下去
而且各種想法都已經有了我們要做的只是去實現它們
