摩爾定律還能存活多久？細(xì)數(shù)計算機(jī)芯片這些年的光輝歲月

據(jù)報道，1960年，在賓夕法尼亞大學(xué)舉辦的國際固態(tài)電路會議上，名為道格拉斯·恩格爾巴特(Douglas Engelbart)的年青計算機(jī)工程師介紹了簡單但具有開創(chuàng)性意義的概念：縮小(scaling)。

恩格爾巴特從理論上闡明，隨著電路尺寸越來越小，元器件速度將越來越快，能耗、制造成本會越來越低，這一切都呈加速發(fā)展態(tài)勢。恩格爾巴特后來發(fā)明了計算機(jī)鼠標(biāo)和其他個人計算技術(shù)。

當(dāng)天坐在臺下聽恩格爾巴特演講的聽眾中就有后來與其他人聯(lián)合創(chuàng)建了英特爾的戈登·摩爾(Gordon Moore)。1965年，摩爾量化了縮小原理，提出對計算機(jī)時代產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響的摩爾定律。他預(yù)測，在至少10年內(nèi)，芯片集成的晶體管數(shù)量將每年翻一番，從而導(dǎo)致計算機(jī)處理能力大幅度提高。

他的預(yù)測發(fā)表在1965年4月份的《電子學(xué)》雜志上，后來被稱作摩爾定律。這不是一條物理學(xué)定律，而是對一個新興產(chǎn)業(yè)的觀察結(jié)果，在此后的半個世紀(jì)中，摩爾定律被證明是有效的。

在1960年代早期，寬度約與棉纖維相當(dāng)?shù)囊粋€晶體管，按現(xiàn)在的美元計算價格約為8美元(約合人民幣51元)。目前，指甲蓋大小的芯片可以集成數(shù)十億個晶體管，晶體管的價格已經(jīng)下降到1美分(約合人民幣6分錢)能買好多的水平。

計算機(jī)芯片的發(fā)展幫助硅谷給世界帶來了令人吃驚的進(jìn)步，其中包括PC、智能手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)。但是，最近數(shù)年，根據(jù)摩爾定律預(yù)測的芯片發(fā)展速度放慢了。約10年前，芯片速度停止進(jìn)一步提高，新一代芯片問世的時間延長，單個晶體管的成本不再下跌。

《紐約時報》表示，技術(shù)專家現(xiàn)在認(rèn)為，新一代芯片的問世會更慢，兩代芯片之間的間隔將延長至2.5-3年。他們擔(dān)心，到2020年代中期，屆時僅由數(shù)個分子構(gòu)成的晶體管將無法可靠地工作。除非有新的技術(shù)突破問世，摩爾定律時代將告終結(jié)。

博通首席技術(shù)官亨利·薩繆里(Henry Samueli)在談到摩爾定律時說，“它頭發(fā)已經(jīng)花白，已經(jīng)年老了。摩爾定律尚未死亡，但即將退休。”

1995年，摩爾將晶體管數(shù)量翻番的時間修改為2年。他認(rèn)為摩爾定律能在如此長時間內(nèi)有效是了不起的，最近在紀(jì)念摩爾定律問世50周年的一次會議上表示，“最初時考慮它的有效時間是10年，我認(rèn)為這已經(jīng)夠長了。”

但一個問題是，一旦不斷提高的速度、不斷降低的能耗需求和更低的價格這一組合無法持續(xù)下去，會出現(xiàn)什么情況?

英特爾前電子工程師羅伯特·科威爾(Robert P. Colwell)說，出現(xiàn)這種情況的影響遠(yuǎn)不僅僅局限于計算機(jī)產(chǎn)業(yè)?？仆栐谟⑻貭栐?fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)奔騰芯片的設(shè)計。

科威爾說，“以汽車產(chǎn)業(yè)為例。過去30年推動汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的是摩爾定律。”汽車產(chǎn)業(yè)在引擎控制器、防抱死剎車、導(dǎo)航、娛樂和安全系統(tǒng)方面的大多數(shù)創(chuàng)新都來自價格越來越低的半導(dǎo)體。

硅谷卻沒有這種擔(dān)憂。過去30多年來，計算產(chǎn)業(yè)一直聲稱計算速度會更快，容量會更高，價格會更低。這被描述為互聯(lián)網(wǎng)時代，甚至是奇點(即計算機(jī)的處理能力將超過人的智能)。

物理極限

芯片是由金屬連線和基于半導(dǎo)體材料的晶體管組成的。最先進(jìn)晶體管和連線的寬度小于光的波長，最先進(jìn)電子開關(guān)的尺寸小于生物病毒。

芯片采用光刻工藝制造。自1950年代末被發(fā)明以來，光刻工藝一直在不斷發(fā)展。目前，芯片光刻工藝已經(jīng)發(fā)展到使用紫外激光。

由于元器件和連線的尺寸已經(jīng)縮小到只有幾個分子大小，工程師在芯片設(shè)計中采用了計算機(jī)模擬技術(shù)。設(shè)計自動化軟件廠商Mentor Graphics首席執(zhí)行官瓦爾登·萊因(Walden C. Rhines)表示，“這是在戲耍物理學(xué)。”

如果由恩格爾伯特首先描述的這種“縮小”不能持續(xù)下去，大型芯片廠商該如何應(yīng)對呢?《紐約時報》稱，其一，它們可以轉(zhuǎn)向軟件或新的芯片設(shè)計，從相同數(shù)量的晶體管中“榨取”更高的計算能力。

另外，芯片產(chǎn)業(yè)還寄希望于新材料。專用芯片廠商Efficient Power Conversion Corporation首席執(zhí)行官、物理學(xué)家亞力克斯·里道(Alex Lidow)說，其他材料可能取代硅，被用來生產(chǎn)更小的晶體管、新型存儲設(shè)備、光通訊設(shè)備。

還有許多全新技術(shù)，例如量子計算——如果實用化，將大大提高計算速度;自旋電子學(xué)——能使未來的計算技術(shù)進(jìn)入原子量級器件時代。

最近，業(yè)界對一種被稱作極紫外線光刻的技術(shù)非常樂觀。如果獲得成功，它將使芯片廠商采用更先進(jìn)的工藝生產(chǎn)芯片，同時簡化芯片生產(chǎn)過程。但這一技術(shù)尚未在商業(yè)生產(chǎn)中得到驗證。

今年早些時候，荷蘭光刻機(jī)廠商ASML表示，已經(jīng)獲得美國一家客戶的巨額極紫外線光刻機(jī)訂單，大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士都認(rèn)為這家客戶是英特爾，這意味著英特爾在制造工藝方面將比其他芯片廠商領(lǐng)先一步。

不同于三星、臺積電等主要競爭對手的是，英特爾高管堅信公司在可預(yù)見的將來能繼續(xù)降低芯片制造成本，他們不認(rèn)可晶體管價格已經(jīng)趨于穩(wěn)定的觀點。

盡管如此，英特爾也不能完全“藐視”物理學(xué)。英特爾7月份表示，它將把采用10納米工藝技術(shù)的時間推遲到2017年。這打破了英特爾一年換用新生產(chǎn)工藝、下一年采用新芯片架構(gòu)的新產(chǎn)品發(fā)布周期。

英特爾首席執(zhí)行官科再奇(Brian Krzanich)在一次分析師電話會議上說，“最近的兩次技術(shù)轉(zhuǎn)換已經(jīng)表明，我們采用新工藝的周期接近2年半而非2年。”

不再有順風(fēng)車

《紐約時報》指出，對這些問題的樂觀看法是，芯片開發(fā)的放緩將導(dǎo)致更激烈的競爭和更多創(chuàng)造性。許多半導(dǎo)體廠商都不像四大芯片制造商GlobalFoundries、英特爾、三星和臺積電那樣有先進(jìn)的制造工廠。

哈佛商學(xué)院教授大衛(wèi)·約菲(David B. Yoffie)說，芯片制造工藝發(fā)展放緩可能使得稍微落后一些的廠商能在不要求最先進(jìn)性能的市場上競爭。

即使不斷縮小的晶體管尺寸不會使芯片更快、更廉價，也會降低芯片能耗。將于2010年代末問世的超低能耗計算機(jī)芯片在有些情況下甚至不要求使用電池供電，而能夠利用太陽能、振動、無線電波甚至汗液供電。

這些芯片會催生什么樣的產(chǎn)品?沒有人知道。但產(chǎn)品設(shè)計人員將被迫以不同方式思考他們開發(fā)的產(chǎn)品，而不能坐等處理能力更強大的芯片。借助摩爾定律，計算機(jī)尺寸越來越小，但在設(shè)計方面并沒有什么突破。蘋果前高管托尼·法德爾(Tony Fadell)表示，“過去，設(shè)計師很懶散。”

物理學(xué)家卡佛·米德(Carver Mead)說，“過去我們基本上是在搭順風(fēng)車，這真的很蠢，但很有效。”

事實上，摩爾定律至少在未來10年還會有效。如果不是這樣，人類將必須更有創(chuàng)意。