1nm晶體管能否改寫(xiě)摩爾定律的命運(yùn)？

　　40多年來(lái)，摩爾定律一直是IT界的鐵律，但是現(xiàn)在追尋摩爾定律的難度越來(lái)越大，最近，美國(guó)團(tuán)隊(duì)研制出的1納米晶體管對(duì)芯片商來(lái)說(shuō)無(wú)異于“最后通牒”。這下很多人都不淡定了，媒體紛紛疾呼“摩爾定律沒(méi)戲唱了”。

　　他們將如何自我救贖?

　　研制出1納米晶體管的研究員Ali Javey和Sujay Desai

　　最近，美國(guó)勞倫斯?伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)—已經(jīng)成功研制出柵極(晶體管內(nèi)的電流由柵極控制)僅長(zhǎng)1納米的晶體管，號(hào)稱是有史以來(lái)最小的晶體管。

　　眾所周知，多年來(lái)，計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展始終遵循著摩爾定律。摩爾定律認(rèn)為，半導(dǎo)體電路的晶體管的數(shù)量每18-24個(gè)月翻一倍。而晶體管的尺寸對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高來(lái)說(shuō)非常重要。晶體管越小，單個(gè)芯片上可容納的晶體管數(shù)量就越多;芯片上的晶體管數(shù)量越多，處理器的速度越快、效率越高。同樣價(jià)格的電子產(chǎn)品性能，時(shí)隔18-24個(gè)月后就會(huì)翻倍。但是反過(guò)來(lái)看，一個(gè)IT公司如果今天和18個(gè)月前賣掉同樣多的、同樣的產(chǎn)品，它的營(yíng)業(yè)額就要降一半。

　　這就是為什么，幾十年來(lái)芯片制造商一直都在與摩爾定律苦苦斗爭(zhēng)——不能做出更小的晶體管，生存就面臨威脅。但是現(xiàn)在，這一切可能都要改寫(xiě)。

　　在長(zhǎng)達(dá)40多年的時(shí)間里，摩爾定律始終是IT界的鐵律。然而進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，摩爾定律似乎出現(xiàn)了“放緩”的跡象。

　　隨著芯片技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，摩爾定律逐漸遇到物理法則的限制。業(yè)界普遍認(rèn)為，7納米是硅晶體管的一道坎，一旦過(guò)了這個(gè)節(jié)點(diǎn)，就會(huì)遇到問(wèn)題。因?yàn)橐坏┕杈w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(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為量子穿隧效應(yīng)(Quantum Tunneling)，它意味著晶體管可能會(huì)在原本應(yīng)該是關(guān)閉的狀態(tài)下意外打開(kāi)。

　　但即使是7納米以上的晶體管，也依然面臨從理論向?qū)嶋H跨越的難題。目前最先進(jìn)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(yù)計(jì)到2017年或2018才能推出。

　　IBM生產(chǎn)的7納米測(cè)試芯片

　　這里提供一些參考：一根頭發(fā)大約有10萬(wàn)納米那么粗，一個(gè)血紅細(xì)胞的直徑為6000納米，就連一根DNA鏈也有2.5納米。

　　與此同時(shí)，對(duì)更高端的芯片的需求卻在一路飆升。今天，我們生產(chǎn)的數(shù)據(jù)量正在呈指數(shù)級(jí)增加，而像機(jī)器學(xué)習(xí)這樣的新興技術(shù)，正在對(duì)芯片的運(yùn)算能力提出越來(lái)越高的要求。

　　勞倫斯?伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室無(wú)疑是一個(gè)了不起的科研成果，因?yàn)檫@意味著，單個(gè)芯片上容納的晶體管數(shù)量仍然可以成倍增長(zhǎng)，至少在理論上如此。

　　但是，這項(xiàng)研究還處于初期階段，目前僅僅是一個(gè)概念，要成為現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品還有很長(zhǎng)的路要走。以14納米晶體管而言，單個(gè)芯片上擁有的晶體管數(shù)量超過(guò)十億，而勞倫斯?伯克利實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)還沒(méi)有找到可以大規(guī)模生產(chǎn)1納米晶體管及新型芯片的方法，即使找到了，其造價(jià)也是極其昂貴的。

　　當(dāng)然，即使僅僅作為概念，該團(tuán)對(duì)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(lái)生產(chǎn)尺寸更小的晶體管，以進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)的功能和效率。

　　事實(shí)上，芯片業(yè)界已經(jīng)接受了晶體管尺寸接近下限的現(xiàn)實(shí)，并已經(jīng)為摩爾定律的終結(jié)做了準(zhǔn)備。今年早些時(shí)候，美國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)(Semiconductor Industry Association)——成員包括英特爾、AMD和Global Foundries——發(fā)表了一份報(bào)告。這份報(bào)告宣稱，到2021年，硅晶體管尺寸的縮小將不再是一件經(jīng)濟(jì)可行的事情。取而代之的是，芯片將以另一種方式發(fā)生變化。

　　芯片專業(yè)化是目前比較靠譜的一種解決方案。傳統(tǒng)上，業(yè)界對(duì)所有芯片都是“一視同仁”，但現(xiàn)在這種觀念可能要落伍了。麻省理工學(xué)院斯隆管理學(xué)院的助理教授Neil Thompson說(shuō)：“(比如)我們開(kāi)的車就不盡相同，18輪大卡車、跑車、SUV，這些車設(shè)計(jì)出來(lái)都有專門(mén)的目的，現(xiàn)在芯片也開(kāi)始有這樣的分工。”

　　圖形處理器(GPU)就是一個(gè)例子。GPU原本專為圖形渲染中執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)和幾何計(jì)算而設(shè)計(jì)的，但現(xiàn)在工程師們發(fā)現(xiàn)，GPU也可以用于數(shù)據(jù)分析等其他領(lǐng)域。

　　芯片行業(yè)開(kāi)始從超高速的、全能型芯片向更專業(yè)化的芯片轉(zhuǎn)變。為此，因特爾收購(gòu)了視覺(jué)芯片創(chuàng)業(yè)公司Movidius。與此同時(shí)，Nvidia公司正在向全球銷售人工智能芯片。

　　英偉達(dá)CEO黃仁勛在臺(tái)北國(guó)際電腦展會(huì)上展示Tesla P100人工智能專用芯片

　　更高效的芯片也將有助于在降低能耗的基礎(chǔ)上提高計(jì)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(yùn)行人工智能算法。日本軟銀最近收購(gòu)了英國(guó)芯片開(kāi)發(fā)商ARM，以獲得該公司先進(jìn)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(lián)網(wǎng)硬件提供信息處理能力。

　　而那些專業(yè)化程度不高的處理器可能會(huì)改變構(gòu)造，以提高信息處理能力。例如，芯片將越來(lái)越多地使用多層電路，以提高晶體管密度。