摩尔定律面临挑战转战移动赋新内涵

本刊记者 | 右舍

摩尔定律面临挑战转战移动赋新内涵

本刊记者 | 右舍

今年是“摩尔定律”问世50周年，在过去50年里，这一定律对工业、社会和科技领域所产生的重大影响几乎成功改变了全球的面貌。不过随着时间的推移，业内质疑摩尔定律是否失效及能否延续的声音不绝于耳。

5 0年前，英特尔公司的前身“仙童半导体”(Fairchild Semiconductor)联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)在《电子学》(Electronics)杂志上发表了一篇文章，文章中提出了著名的摩尔定律。该定律的主要内容是，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，每隔18～24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18～24个月翻一倍以上。

摩尔在文中预测称，这一趋势将会持续至少十年时间。到1975年，科技行业正式将其称之为“摩尔定律”。而摩尔本人则在同年表示，硅芯片上的晶体管数量将每隔两年增加一倍，因为在一个芯片上填充更多晶体管的成本在不断上涨。然而，摩尔口中的这一趋势一直持续到了今天，因为从上世纪60年代早期起晶体管的制造成本就迎来了大幅下降。

应该说，如今人们不想夸大摩尔定律的重要性都很难，这不仅是因为它成功催化出了个人电脑、iPhone为代表的智能手机、特斯拉、苹果手表以及其他很多电子产品的出现，还直接支撑着包括谷歌、Facebook等科技企业，而这些企业的服务器支配着数十亿美元的广告业务。

物理及经济性是严峻挑战

基于摩尔定律，新一代计算机比旧一代速度更快、性能更高，而这主要是因为半导体技术的进步，芯片逻辑闸越缩越细小。用英特尔的CPU举例，20年前第一代奔腾芯片上每个逻辑闸的大小是800纳米，目前最新的酷睿 i3/5/7，逻辑闸只有22纳米，20年之间足足缩小了36倍。不过，随着逻辑闸越来越微小（每个逻辑闸只有几个分子的大小），使其已接近物理极限，不可能继续缩小。对此，业内专家一致认为，传统基于硅的半导体，最小只能达到5纳米，再细的话传统的物理学将不再适用，而是进入到了未知的量子物理学领域。

除了上述纯技术的挑战，更大的问题是来自经济学上的阻力。每一代芯片工厂造价越来越贵，例如英特尔最新的14纳米芯片工厂，便花费了50亿美元的天价，而且还问题多多，迟迟不能投产。未来除了英特尔、台积电、三星等少数业界巨头，恐怕没有多少家科技公司有财力兴建10纳米以下的芯片工厂。鉴于之前推出每一代新芯片技术，都令芯片的运算成本下降，所以科技公司也乐于投放资源于新一代技术。可是这种下降趋势在28纳米到22纳米停止了，22纳米的成本与28纳米大抵相同，而到了14纳米，预计其成本会不跌反升。

为此，相关业内人士在接受记者采访时表示：“芯片制造商现在就需要为14纳米节点选择合适的制作工艺，之前每代工艺升级能够带来30%性能的提升，而14纳米工艺带来的性能提升可能只有典型值的一半。”

基于上述的原因，很多科技公司因成本考虑，会选择停留在28纳米或22纳米，而少了公司摊分14纳米的开发成本，自然会让14纳米芯片的造价更加昂贵，而这个问题在10纳米只会更严重。计算机巨人IBM就是因为成本问题，把芯片工厂卖掉，索性退出了半导体行业。

“理论上，从32纳米到16纳米，设计成本的增加将超过1亿美元。如果假设32纳米时一个裸片的成本是10美元，并且假设每个节点传统的成本下降仍将持续，那么相关厂商需要超过2000万个裸片才能达到收支平衡。如果再考虑到与这种设计相关的风险，那么实际上的要求将超过1亿个裸片，或至少10亿美元的市场，才能证明投资这种器件的合理性。很明显，很少有设计可以达到1亿片或10亿美元的市场规模。”某半导体业内人士告诉记者。

上述业内人士的话不是没有道理。作为芯片产业的老大，英特尔仅去年的研发成本就高达115.37亿美元，位居全球科技公司研发投入之首，因此很少有人能够跟上英特尔的步伐。而目前建一座芯片工厂至少需要20～30亿美元，而且线条尺寸缩小到0.1微米时，投资将猛增至100亿美元，比建一座核电站投资还大。这种费用已经使越来越多的芯片厂商退出了发展的行列。例如10年前，拥有尖端芯片生产能力的企业有18家，今天仅剩4家，包括英特尔、三星、Global Foundries和台积电。

英特尔移动相对论创新重释摩尔定律

当摩尔定律遭遇技术及成本挑战之时，作为一直遵循摩尔定律发展的英特尔又当如何呢？

在今年年初的IDF2105上，英特尔全球高级副总裁、PC客户端事业部总经理施浩德(Kirk Skaugen)对记者表示：“英特尔的14纳米芯片产品，早于竞争对手三年半的时间推出，这正是在摩尔定律推动下所实现的，摩尔定律表述为每隔18个月，晶体管的数量将翻一倍，性能提升一倍。接下来的10纳米、7纳米，还将继续下去，这都是摩尔定律的具体实践。未来摩尔定律会应用到物联网、智能移动设备等诸多方面，摩尔定律还是会继续成为推动产业与技术发展的动力。”

事实的确像施浩德所言，人们的期望并没有止步于传统的计算机产业，而是步入到了云计算、网络、社群媒体、搜寻、串流影片等。相关机构调查显示，仅在2014 年全球受益于摩尔定律的科技公司的市值就高达 13 万亿美元，相当于世界经济资产价值的五分之一。

除了计算机技术本身的发展，医疗、制药和遗传学等行业都出现了类似的摩尔定律。许多药物检测都是通过计算机进行的，而计算机软件只需极短的时间就能分析出人类基因。

对于英特尔来说，随着产业的发展，现有的技术与产品性能已经能够满足人们的需求，高性能不再是人们追求的最重要的要素，人们开始关注低功耗、高节能等方面的发展。为此英特热尔推出了“移动相对论”的概念和产品，其公式为M=E/C2，是由爱因斯坦的质能公式(E=mc2)变形而来，但英特尔为每个字母都赋予了全新的含义。即M=Mobility(移动性)、E=Power Efficiency(低功耗)、C2=High Computing Performance(高性能)，代表产品就是新近推出的酷睿M芯片。

据英特尔方面介绍：M代表酷睿M所带来的超强移动性。酷睿M采用业界领先的14纳米制程工艺和第二代三栅极晶体管，实现了更小的封装，仅为第四代酷睿的50%，并将热设计功耗(TDP)降低了60%。E代表不断降低的功耗。酷睿M的功耗已降低至4.5W，在执行有效工作负载的情况下，与四代酷睿相比，可将电池的续航时间延长达20%(1.7小时)。C2代表不断增加的计算性能。与第四代酷睿相比，酷睿M处理器将计算性能和显卡性能分别提升高达50%和40%。而与使用了4年的旧电脑相比，更是实现了计算性能的两倍提升，将显卡性能提升7倍。而当分子E不断地降低时，会带来更低功耗以及更久续航;而当分母C2越来越高时，又意味着超快的运算速度和超强的处理能力。酷睿M可以用于打造极致轻薄的无风扇设备，实现最佳的移动计算体验。

终结还是延续下一个摩尔定律在哪里？

尽管在移动芯片上，厂商们使出了浑身解数，但业内仍在预测下一个摩尔定律会出现在哪里或者说如何体现？

业界分析认为，摩尔定律可能出现在拥有类人认知能力的高能效计算机上。按照摩尔定律的预测，到2018年时，单一芯片上的电晶体数量将超越人类大脑的脑细胞数量，机器具备感情已有了物理基础。事实上，许多计算机工程师也正努力从生物大脑的运转方式中汲取灵感，或在新材料、新元件的研发方面另辟蹊径。

英特尔及一些厂商可以说一直做着这方面的努力。从90纳米到62纳米、45纳米、32纳米、22纳米、14纳米；从单核到四核，到如今的8核，甚至未来更多的核心；英特尔一直为延续摩尔定律做着努力，例如3D晶体管技术就是为了更好地延续摩尔定律而推出的。

除英特尔外，IBM在碳纳米管芯片制造技术方面也已经取得了重大突破，这一突破被认为是在下个10年中拯救摩尔定律的希望之一。除了有所突破的IBM碳纳米管技术外，石墨烯和一种标准硅晶体管也有望成为摩尔定律的拯救者，目前这两种新材料正在被科学家用来突破半导体技术的瓶颈。

值得一提的是，第三代半导体材氮化镓（GaN）如今也备受关注。硅基板GaN技术不仅可以实现很高的功率密度，从而缩小设备的外形尺寸，还可以提高能效。据IHS发布的市场研究报告显示，与硅基板GaN技术相关的功率半导体市场，将以高达50%以上的复合年增长率(CAGR)增长。也就是说，其市场容量将从2014年的1500万美元，增至2023年的8亿美元。

与上述寻求技术和材料上的突破不同，日前，美国麻省理工学院的教授费格拉（EugeneA. Fitzgerald）在英国每日电讯报网站发文指出：在今天的技术背景下，传统半导体和硬件时代的摩尔定律，或许已经不再是人类科技和社会进步的主要动力，科技的未来，在于开放式的创新。费格拉进一步解释，今天，科技创新无处不在，消费者生活在一个被“创新”包围的世界中。每天都可以看到新技术的问世，每年苹果都会发布最新款的智能手机，而每一个投放到市场上的电子产品，总会带来一些突破性的创新功能。

对此，英特尔公司的战略家史蒂夫·布朗表示，摩尔定律意味着企业在不断进步的同时，还要面对持续激烈的竞争。幸运地是，摩尔定律并不是自然规律，更像是激励的信条，激励着科技公司实现自我超越。

“其实任何一个定律都有其适用性和生命周期，但摩尔定律所追求的极致创新精神，却一直激励着人们挑战极限。无论是硬件还是软件的创新，都有可能为摩尔定律补位，进而改变科技产业和整个世界。”某业内人士如此评价摩尔定律未来的新内涵。