摩爾定律有終結之日嗎?

娛樂小傻喵

近半個世紀以來,摩爾定律一直是推動半導體器件發展的動力。但是原子水平的物理限制打破了摩爾定律,下一代電子產品需要一項新舉措來推動計算領域的下一次重大革命。英特爾的聯合創始人Goron Moore曾經說過,芯片上的晶體管數量每年都會增加一倍,同時成本可以減少一半。自1965年以來,這種觀念一直存在,並且在過去一年中基本保持不變。

由於我們由於構成現代電子產品的原子結構大小達到物理限制,因此仍需要弄清楚我們接下來要去哪裡。為了幫助弄清楚這個目標,美國國防高級研究計劃局(DARPA)正在舉辦首屆電子復興計劃。這項為期三天的活動將於7月23日至25日在舊金山舉行,將為下一代電子產品的創新理念帶來15億美元的投資。

行業合作伙伴包括Alphabet,Intel,Cadence,Nvidia,IBM,Mentor Graphics和Applied Materials。在ERI峰會上,人工智能,硬件安全,硬件仿真和光子學將成為焦點。目前,行業不僅需要構建更好的硬件,而且還需要構建有助於設計工程師設計下一代產品的工具。當下一代硬件尚不存在時,硬件仿真變得更加困難。

正在進行研究的光子學可能會作為改進我們現有工藝的手段。 CPU,GPU,FPGA和ASIC都依賴於更小的晶體管來以更低的功耗擠出更多的性能。啟用基於光的互連允許延遲取決於通過介質的光速而不是通過半導體的電流。嵌入微電子系統的光子學理論已存在數十年,但尚未完全解決可行性問題。與傳統硅不同,光子器件目前不能很好地擴展以便於大規模生產。

這一協作式行業活動可以塑造電子產品在可預見的未來發展的道路。雖然我們可能需要幾十年的時間才能讓消費者開始看到尖端研究的好處,但應該知道,一旦摩爾定律被徹底粉碎,就會有成千上萬的人積極尋求解決方案來繼續發展技術。


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無疑,摩爾定律是有終結之日的,而且現在已經瀕臨終結。

戈登·摩爾是英特爾創始人之一。他於1965年4月19日在《電子學》雜質上發表了一篇文章,文章中便提出了摩爾定律用以揭示信息技術發展的速度。當時他是仙童半導體公司的一位工程師。

圖1. 美國科學家戈登·摩爾

摩爾定律說的是,當價格不變時,集成電路上可容納的元器件的數目,約每隔18-24個月便翻一番,性能也將翻一番。換言之,每一美元所能買到的電腦性能,將每隔18-24個月翻一番。

自摩爾定律提出到現在,信息技術的發展速度一直都按照摩爾定律所預言的那樣發展。但無疑這個定律是有終結之日的,因為我們總不能期待元器件集成的密度無限地提高,每一個晶體管的尺寸無限地縮小,計算機的性能無限地增長。

問題是摩爾定律現在終結了嘛?如果現在沒有終結,那麼什麼時候會終結。摩爾定律終結之後,信息技術又應該朝哪一個方向發展呢?

大家在朋友圈或各大新聞媒體可能經常會見到類似於這樣的文章:《摩爾定律已死,半導體行業發展會停滯嗎?》、《摩爾定律這次真的到頭了! 》、《存在 50 年的摩爾定律正在失靈?》。確實,近幾年以來,信息技術發展的速度越來越慢,人們也很少再去提人類在晶體管集成工藝上的提高。一種比較合理的預測是,摩爾定律最多隻能堅持到2020年附近。

或許我們更應該想的是,摩爾定律終結之後,信息技術發展走向何方。其實先於我們想到這個問題之前很久,科學家就提前想到了這個問題,並進行了各種各樣的科學探索。我們不能再期待摩爾定律的量變能給我們帶來什麼,而應該尋求質變為信息技術的發展開拓新的路子。傳統的摩爾定律只是基於電子晶體管的思路提出來的,利用的只有電流的開關來實現“0”和“1”,本質上是利用電子電荷的屬性,那麼我們可不可以利用電子自旋呢?可不可以利用其它微觀粒子呢?可不可以利用準粒子呢?可不可以利用粒子的量子特性呢?

對,量子計算機就是我們發展的下一步。具體到時候又會是怎麼樣的發展規律呢?會不會又有一種類似於摩爾定律的關於量子計算機的定律被提出來呢?這一切就讓我們在不遠的將來共同見證吧!


量子驛站

美國國防部高級專家羅伯特在幾年前就這麼說過:

現在是時候開始計劃摩爾定律的結束了,值得思考的是它將如何結束,而不僅僅是何時。

大多數的芯片從業人員肯定會思考過這個問題,尤其是科學家們,終究有一天硅工藝技術上的一些問題將難以克服,摩爾定律也就宣告結束。在過去的幾十年裡,類似的挑戰層出不窮,但是我們都經受了挑戰,摩爾定律也一直在發揮著作用。

但問題不僅僅是技術上的,更多的可能要從經濟學來考慮。摩爾定律的侷限性並不受當前技術的驅動,畢竟如果我們知道如何變小,我們可能會做到這一點。摩爾定律的界限實際上是一個成本問題。每一個製程新節點都會極大增加開發成本,我們可能會因為成本問題而沒有動力去推動下一個節點。比如十多年前,大概有20多家半導體公司可以承擔製程節點研發的成本,但是目前只有三四家了。

預測晶體管將在2021年停止縮小

目前在市場上有7nm技術,當進一步提升到5nm或更小時,就存在量子隧穿的可能性,這時候我們基本上失去了對電子的控制,晶體管也就會失去開關的意義。

摩爾定律定有終結之日,可能是2020年,也可能是2025年,但是,在那個時候,我們肯定是已找到了其它方法來提高芯片的計算性能並且可以很好的控制成本,比如三維固態量子計算或其他已經在實驗室中構建的芯片。


超能網

幾年前就結束了啊!首先,頻率到4Ghz這個坎已經快十年沒辦法有效突破了,即便是製程從28nm一路到了10nm依然無法突破頻率的天花板;而另外一條路多核方面,雖然功耗和發熱通過製程提升能稍微緩解,但每次提升30~40%的間隔就超過摩爾說得18個月了,而多核就算是成功增加了,運算速度並不是核心數量的倍數,而且核心越多,這個損失越大。

看來晶體管這條路已經接近盡頭了,需要從架構上改變了,當然也脫離摩爾的定律了。


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