摩爾定律氣數(shù)將盡?
編者按:
運行了半個世紀的摩爾定律,是否在幾十年中曾經(jīng)被誤解,被神化?是否在現(xiàn)有的市場中已經(jīng)被上網(wǎng)本這樣的事物顛覆?在互聯(lián)網(wǎng)的云計算時代,是否走向崩潰的邊緣?
英特爾每年都要為它發(fā)明的摩爾定律苦惱一陣子。英特爾苦于爭辯摩爾定律的壽命。它一會說,定律永遠有效;一會又說,還能撐上幾年。而最新的表態(tài),則出自英特爾全球董事長貝瑞特。
“在今后15年里,這一定律仍會發(fā)生作用。”幾日前,貝瑞特在北京的IDF上公開演講時說。
貝瑞特下月即將退休,他顯然不是在隨意發(fā)出預(yù)言??瓷先ィ柖梢严萑搿翱ㄉ5吕健钡亩蜻\預(yù)言中了。
摩爾定律瀕臨破滅
貝瑞特的表態(tài)顯然十分委婉,聽上去覺得,定律還有很長的壽命。15年,對個人來說,畢竟不是一瞬。
但IBM研究員Carl Anderson就十分不客氣。上周,他直白地說,摩爾定律已到盡頭,即將失效。理由是,各行各業(yè)呈爆炸式成長的時代終將告一段落,先是鐵路,后是航空業(yè),如今輪到半導體產(chǎn)業(yè)了。
更為專業(yè)的技術(shù)人士,則將失效理由歸結(jié)為材料與技術(shù)的極限,而不在于工藝本身。
制作芯片現(xiàn)有材料是硅。它由50年前的美國人發(fā)明。之后美國仙童公司的諾伊斯(之后創(chuàng)立了英特爾)、德儀公司的基爾比發(fā)明了集成電路。1965年,摩爾開始宣揚其定律,一般的敘述如此這般:每過18個月,單位面積上的晶體管數(shù)量增長一倍,而價格不變。
1971年,英特爾首個微處理器僅集成2000多個晶體管,而2008年最新的45納米產(chǎn)品則集成高達2.05億個晶體管。
半導體產(chǎn)業(yè)研究專家莫大康對CBN記者表示,為了降低功耗與制造成本,深度集成仍是行業(yè)努力的方向,但這不可能永無止境。用作絕緣材料的二氧化硅,已逼近極限,如繼續(xù)縮小,將導致漏電、散熱等物理瓶頸,數(shù)量集成趨勢終有終結(jié)的一天。
紐約州立大學奧爾巴尼分校教授Alain Kaloyeros說,耗電增加、發(fā)熱難題日益加劇。他嘲笑說,現(xiàn)在芯片每個單元產(chǎn)生的熱量,超過了舊式的蒸汽熨斗,以后 “不希望用筆記本電腦去熨褲子”。
事實上,2008年,英特爾推出45納米工藝前,已備受質(zhì)疑多年。不過,借助材料突破(替代二氧化硅),它渡過了難關(guān),打通了進軍32納米、22納米的道路。
但這只是暫時的高興。新材料在22納米之后,也將遭受同樣的問題。事實上,2005年3月,貝瑞特在美國IDF演講中也已透露,傳統(tǒng)工藝“設(shè)想達到的極限”將是5納米,超越這個極限,將遭遇電流泄漏等難題。
這正是英特爾迄今為止給出的最高壽命極限。按目前演進趨勢,大約在2020年左右,摩爾定律將成為歷史。這與貝瑞特最新所說的15年完全吻合。
被誤解的和被神化的
摩爾定律被英特爾一直奉為圭臬,即便是貝瑞特談及定律生命已經(jīng)有限,但其許多高管一直不愿承認。
非但如此,該公司還試圖將定律“私有化”,不斷加以懷念,沉淀。2005年春,該公司在全球懸賞 1萬美元,尋找一本40年前的老雜志。
雜志的名稱為《電子學》。那是美國上世紀60年代的刊物。1965年4月,36歲的摩爾在上面發(fā)了篇文章,名叫《往集成電路里塞進更多元器件》,對產(chǎn)品趨勢預(yù)言了一下。
這就是摩爾定律誕生的源頭了——盡管1960年斯坦福大學恩格爾伯特已發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律,只是沒發(fā)表文章。
摩爾的預(yù)言當時沒產(chǎn)生多大反響。摩爾當年將這本雜志借給了朋友,再也沒能找回。那時英特爾自己還都沒成立,但成立37年后,它忽然想到,這似乎是公司的“寶貝“,于是懸賞尋物。
實際上,“摩爾定律”稱得上“定律”,完全是溢美之辭。因為,它不同于數(shù)學、物理等自然學科上具有嚴格意義的定理,而只是一種基于產(chǎn)品發(fā)展的預(yù)測,頂多可稱為“規(guī)律”。畢竟,單位面積到底該集成多少晶體管,沒人限制你。
而且,摩爾的預(yù)言,從誕生到成為言必稱的“定律”,其間充滿著誤解、神話的特征,還有點誤打誤撞。
事實上,摩爾本人從沒說過這句話:單位面積晶體管數(shù)量每18個月翻一番,價格不變。
CBN記者查詢到摩爾1965年的原文,它是一篇評論。原文如此表述:隨著單位成本下降,晶體管數(shù)量增加;1975年,業(yè)界將能看到,每個硅片可集成65000個晶體管。
原文對此加了一句解釋:最低成本下,晶體管復雜度大約每年增加一倍。但沒有說明,“復雜度”是否為“數(shù)量”。
而摩爾本人非但沒有稱它為“定律”,之后還對它做了多次修正。1975年,他在IEEE組織會議上作了題為《數(shù)字集成電路的發(fā)展》的演講,將上面的敘述改成:今后10年,新的斜率說明,大約每兩年增加1倍而不是每1年增加1倍;1997年9月,在接受《科學的美國人》采訪時,摩爾親口強調(diào),他當年說的是,每兩年翻1番,而不是每年翻1番,并堅定地說,從來沒有說過“每18個月翻一番”。
而英特爾高管口中常補充的后半句“價格不變”,摩爾當年也沒說過。他根據(jù)1965年至1970年的走勢倒做過預(yù)測,他說,1970年,每個芯片成本是當時的1/10。即使如此,計算下來,平均每年下降僅37%,并非“一半”。
中芯國際董事長王陽元對此揶揄了一下。他說,結(jié)合英特爾最初的處理器晶體管價格,如果嚴格按英特爾官方的完美表述來計算,“到2010年,1美元可以買1萬輛汽車”。
臺積電創(chuàng)始人、現(xiàn)任董事長張忠謀去年對CBN記者表示,半導體技術(shù)的創(chuàng)新正相對“變窄”,摩爾定律不是技術(shù)定律,而是“經(jīng)濟效益理論”。
拯救或拋棄
摩爾定律已淡去神話色彩,人們開始焦躁地等待有人來延續(xù)它的生命,而更多人試圖開始創(chuàng)造新的生命。
“半導體制造已轉(zhuǎn)向新材料、原理創(chuàng)新的革命時代?!蹦罂祵BN記者說,尋求替代材料的努力,反而多集中于非半導體領(lǐng)域,因為半導體制造業(yè)所涉領(lǐng)域較廣。
看起來已經(jīng)有了一些新材料與新技術(shù)。IBM研發(fā)部高級副總裁John Kelly說,已經(jīng)擁有更多替代品。美國半導體行業(yè)協(xié)會總裁George Scalise前不久表示:“現(xiàn)在已處于挑選候選者的階段?!?
一種新的替代技術(shù)名為“自旋電子”。它借助電子充電與旋轉(zhuǎn)來存儲信息,采用這一方法可減少耗電;另一種是采用納米技術(shù),在兩個碳分子之間懸浮單個金屬原子,通過金屬原子左右運動控制電流開關(guān)。莫大康表示,目前“碳納米管”技術(shù),即將一種特殊碳原子組合成管狀的技術(shù),已經(jīng)可以按不同配置,制造“邏輯門”了。
而另一技術(shù)大佬IBM則正借生物領(lǐng)域的研究向芯片延伸。DNA、蛋白質(zhì)等具有自發(fā)性組織能力的物質(zhì)或許扮演未來關(guān)鍵元器件革命的角色。
“英特爾的技術(shù)人員,很多也都是玩原子的?!庇⑻貭栔袊髤^(qū)楊敘對CBN記者形象地說。
而這還需要伴隨著生產(chǎn)設(shè)備的升級。莫大康表示,工藝越先進,制造成本越高,其中的設(shè)備研發(fā)成本也日益高昂。真正能承擔起幾十億美元甚至更高研發(fā)費用的,只有IBM、英特爾、三星、美國應(yīng)材等有限的企業(yè),而產(chǎn)業(yè)分工又讓它們各自十分謹慎。
貝瑞特則寄希望于未來的奇跡。談及困局,他說:“每當我們感到山窮水盡之時,總會有聰明的工程師來解圍?!?/p>
但上述新技術(shù)都還停留在實驗階段。而從實驗室到大規(guī)模商用,在計算機領(lǐng)域,至少要花10年工夫,留給摩爾定律表演的時間不多了。但愿芯片業(yè)的人們,尤其是英特爾人不要陷入信仰危機。
“上網(wǎng)本+多核化”顛覆摩爾定律
摩爾定律的光環(huán)似乎正在逐漸褪去,靠處理器領(lǐng)域首先提出多核化戰(zhàn)略的AMD和目前風靡全球的上網(wǎng)本似乎就是最好的例證。
多核就是將多個處理器連接在一起,而不是使晶體管數(shù)量翻番,這似乎背離了摩爾定律給世人指明的方向;至于上網(wǎng)本就更簡單明了地顛覆摩爾定律了,它的紅火告訴這些實驗室里的技術(shù)人員,人們根本就不需要那么復雜的市場和高端的數(shù)據(jù),它讓人們對處理器的需求回到了賽揚的水平。
多核化的顛覆
作為一種產(chǎn)品發(fā)展的預(yù)測,摩爾定律完美順應(yīng)了PC時代。從第一款處理器4004誕生起,英特爾以及對手AMD,幾乎都以超越摩爾定律的速度飛奔,全球IT產(chǎn)業(yè)則瘋狂追隨。
這是一個技術(shù)驅(qū)動應(yīng)用的時代。英特爾廉價地捕獲了眾多PC廠家的青春,無論國外的IBM、蘋果、戴爾、惠普,還是中國的聯(lián)想,并且?guī)恿巳蜍浖a(chǎn)業(yè)以及龐大的代工企業(yè)群。摩爾定律的每次更新,都被它們視為一場商業(yè)狂歡。
但這個張揚速度的年代已過去。摩爾定律代表的速度激情,在互聯(lián)網(wǎng)帶來的PC應(yīng)用面前,開始失去光環(huán)。業(yè)內(nèi)分析人士一度認為,對一般消費者來說,過高的計算能力,等于技術(shù)冗余。
這給了“英特爾們”一個臺階下。2004年前,它們遭遇材料創(chuàng)新難題,單位面積晶體管集成過多,耗電與散熱難以化解。貝瑞特當年為奔4新一代處理器延遲而下跪,正是定律受困的反映。
于是,“英特爾們”開始走向雙核、多核,它們將兩個或兩個以上的處理器連接起來,封裝一起。而不像以往將所有晶體管集成在一個硅片上。表面看是技術(shù)手段,實際是商業(yè)策略:這可以無限延長定律的壽命。
本土封裝巨頭通富微電董事長石明達曾對CBN解釋過背后原因。他說,摩爾定律正遭遇材料、體積、散熱等瓶頸,設(shè)計、生產(chǎn)很難實現(xiàn),即使實現(xiàn)成本也很高,而封裝技術(shù)可將多核封在一起,等于創(chuàng)新摩爾定律。
這對消費者來說,并不重要。他們要的是性能提升、滿足需求。但“英特爾們”的宣傳卻掩飾了定律日益步入困境的事實,當然它們借此實現(xiàn)了出貨量的提升。
上網(wǎng)本淡化處理器價值
摩爾定律遭遇的還有需求變革的壓力。
互聯(lián)網(wǎng)的普及,創(chuàng)新了應(yīng)用一端。這一領(lǐng)域的“梅特卡夫定律”,即應(yīng)用與價值成長成正比,與摩爾定律融合后,顛覆了PC業(yè)擴張模式。1998年至2004年,全球PC銷量幾乎幾何級增長。
但互聯(lián)網(wǎng)時代的摩爾定律,顯得落落寡合。因為,互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造的關(guān)聯(lián)市場遠比PC更有誘惑。移動互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字電視等新興應(yīng)用,將人們的注意力由PC性能轉(zhuǎn)向個性化消費與體驗,處理器的價值被大大淡化了。
上周,宏碁董事長王振堂在北京發(fā)布其上網(wǎng)本新品時透露,英特爾處理器對該產(chǎn)品的能耗貢獻,僅為20%。
而無線通信的普及,以及它與互聯(lián)網(wǎng)的融合,更讓英特爾感受到壓力。
創(chuàng)始人葛魯夫早已覺察到變革對摩爾定律的市場沖擊。在其《只有偏執(zhí)狂才能生存》一書中,他說,如果基于網(wǎng)絡(luò)的軟件,兼容任何處理器,公司將面臨“四面八方的競爭”;而他更是提及“云計算”模式,聲稱對公司業(yè)務(wù)“大為不利”。
英特爾顯然早有準備,“迅馳”是它淡化摩爾定律壓力、貼近網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的變革。而為了適應(yīng)通信時代,此前它一直借助ARM架構(gòu),兜售自家的手機處理器。
但網(wǎng)絡(luò)與通信產(chǎn)業(yè)鏈,比相對自由的PC產(chǎn)業(yè)鏈要復雜得多。面對壁壘森嚴的市場格局,英特爾初期沒有建立起核心競爭力。比如手機處理器虧損多年后,出售了事。
但它顯然不甘心只做觀望者。它正在不斷試探網(wǎng)絡(luò)與通信業(yè)務(wù)的深水。目前的手段則是“凌動”,這一技術(shù)低端、有些反“摩爾定律”演進趨勢的產(chǎn)品,初期表面停留在小尺寸筆記本市場,但卻是英特爾重返通信領(lǐng)域的“跳板”。
事實上,對手AMD反襯出英特爾淡化摩爾定律壓力的動作。2005年后,AMD在多核化技術(shù)上超越了英特爾。收購ATI之后,同樣嘗試在移動互聯(lián)網(wǎng)、通信領(lǐng)域有所作為。