摩爾定律會死亡嗎 芯片到底可以變得有多小

　　1965年，計算機技術(shù)處在萌芽期，計算機工程先驅(qū)戈登?摩爾(Gordon Moore)寫了一篇論文，沖擊了科技產(chǎn)業(yè)。摩爾認(rèn)為，計算機的性能每隔12個月翻一倍，成本下降50%。過去40年的歷史證明摩爾定律相當(dāng)正確。

　　現(xiàn)在摩爾定律進(jìn)入困難時期。去年，英特爾曾表示，現(xiàn)在要讓處理器的性能翻倍需要30個月的時間。2016年5月，曾經(jīng)刊發(fā)一篇文章，標(biāo)題就是“摩爾定律終結(jié)”。

　　的確，計算機性能的提升速度正在放緩。放緩還帶來一個問題：許多下一代產(chǎn)品依賴于更快、更節(jié)能 、更便宜的芯片，而芯片的進(jìn)步建立在一個假設(shè)之上，那就是摩爾定律仍然有效。如果芯片的提升速度放慢，甚至停滯，VR、AI、無人駕駛汽車、醫(yī)療、遺傳工程，甚至連最新的智能手機都會受到干擾，無法快速推出。

　　真的會死亡嗎?也許有些夸大。

　　芯片到底可以變得有多小

　　“必須”不是建議，而是物理的必然。幾年來，計算機工程師不斷縮小芯片的尺寸，獲得更高的性能，但是這種策略漸漸走到了盡頭。設(shè)計芯片時我們遇到了物理和幾何瓶頸：要讓芯片變小極為困難。

　　現(xiàn)代芯片設(shè)計將芯片組件之間的間隙縮小到十幾納米。如果不是工程師，可能不知道十幾納米是什么概念。一張紙的厚度約為0.1毫米，它相當(dāng)于10萬納米?，F(xiàn)在芯片中空間的尺寸大約相當(dāng)于一張紙厚度的1/8000。雖然進(jìn)一步縮小尺寸是有可能的，比如降到7納米，不過按照產(chǎn)業(yè)的估計，即使只是開發(fā)一款7納米原型芯片，成本也會達(dá)到1億美元，目前全球只有3家企業(yè)可以做到：臺積電、三星和英特爾。英特爾已經(jīng)宣布，投入90億美元開發(fā)7納米處理器，開發(fā)至少要4年時間。

　　7納米實際上已經(jīng)做到了。如果想進(jìn)一步縮小尺寸，進(jìn)步的空間并不大。因此在7納米之后，如果我們想提高計算技術(shù)的性能必須從兩個方面下手：一是熱管理，二是能源密度。熱量和能源問題是巨大的設(shè)計難題，也是“設(shè)備殺手”。它們對創(chuàng)新至關(guān)重要，由于尺寸受到限制，熱量和能源問題束手束腳，所以我們基本上只能維持現(xiàn)狀。

　　第一步：減少熱量

　　要讓計算性能飛速提升，我們必須強化熱量管理技術(shù)。打個比方：要讓汽車跑得更快，我們需要安裝更強大的引擎，裝備更好的輪胎;但目前的問題在于，如果讓引擎更強大，輪胎會爆胎。

　　熱問題已經(jīng)阻擋了某些計算機技術(shù)的進(jìn)步，比如堆疊(stacking)，這種設(shè)計方案將計算機組件堆疊起來，比如處理器、內(nèi)存、電源。采用堆疊設(shè)計，機器內(nèi)部命令、電能移動的距離就會縮短，節(jié)省能源，提升處理速度。

　　雖然堆疊組件可以讓計算機更快，但是生成的熱量比分離更多。組件靠得太近為工程師帶來挑戰(zhàn)，他們要讓設(shè)備在安全可行的溫度下運行。正因如此，高通和英特爾已經(jīng)拋棄了堆疊概念。英特爾組裝和測試開發(fā)技術(shù)主管巴巴克?沙比(Babak Sabi)說：“從邏輯上講，沒有人能夠真正將內(nèi)存堆疊，除非有人可以拿出熱解決方案……我不認(rèn)為有人會使用堆疊技術(shù)?！?/p>

　　老式散熱技術(shù)依賴于銅管和鋁管，用墊片導(dǎo)熱。但金屬管和墊片太笨重了，裝在筆記本、手機、汽車中效率不高。另外，老散熱系統(tǒng)太堅硬，不夠靈活，結(jié)果成為了設(shè)計的“噩夢”：你必須用銅墊片設(shè)計苗條性感的智能手機。

　　熱技術(shù)阻礙了計算機整體性能的提升，但是技術(shù)正在快速進(jìn)步，這是一個好消息。以后的熱解決方案包括了凝膠、糊狀物、新型柔性纖維，拋棄那些笨重堅固的材料。例如，NASA正在測試新散熱材料，這種材料很輕很柔軟，跟天鵝絨很相似。

　　第二步：增加能源密度

　　如果說熱問題讓摩爾定律“蹣跚前進(jìn)”，那么能源密度問題則將摩爾定律變成了“跛子”。

　　所謂能源密度，就是說我們可以在特定空間內(nèi)存儲多少能源。能源密度越高，相同尺寸的電池就可以提供更多的電能。我們可以用賽車類比，如果說計算機處理器就是引擎，熱管理是輪胎，那么能量密度就是燃油。

　　計算機及其它電子產(chǎn)品越來越快，越來越強，我們需要在更小的空間存儲更多的能源，可惜電池技術(shù)進(jìn)步緩慢。三星Note 7告訴我們：一面我們希望電池能夠提供更多的電能，另一方面又要遵守嚴(yán)格的設(shè)計規(guī)范，二者必須平衡，如果平衡稍稍打破就會變成災(zāi)難。

　　能量密度問題成為一只攔路虎，影響了下一代計算產(chǎn)品的發(fā)展，比如機器人、無人機、太空探索設(shè)備、電子設(shè)備。在這些領(lǐng)域能量密度決定一切。對于消費者來說，由于能量密度沒有大幅增加，所以我們會覺得手機電池不夠用。

　　問題還不只這么簡單，能量密度與熱量管理問題是相互關(guān)聯(lián)的。存儲能源，充電，抽取電能，全都會產(chǎn)生熱量。每一次當(dāng)工程師在某方面取得進(jìn)步，另一方面又會失常，導(dǎo)致問題變得更復(fù)雜。

　　未來的芯片技術(shù)

　　前路并非一片黑暗。我們應(yīng)該保持樂觀，相信科學(xué)家、工程師會在熱量管理、能源密度方面取得突破。我之所以有信心，主要是因為克服技術(shù)、工程、設(shè)計問題是消費者渴望的。消費者想要更好的電池，它可以使用更長的時間，不讓筆記本太熱，消費者認(rèn)為輕薄比強大的處理能力更重要。如果能夠正確解決熱量和能源密度問題，經(jīng)濟回報無疑是巨大的。

　　之所以樂觀還有一個原因：當(dāng)我們在熱量、能源技術(shù)上前進(jìn)一步，就會在其它地方取得相應(yīng)的進(jìn)步。如果真的做到了，新產(chǎn)品和新技術(shù)會變得更快，它們既可以保證摩爾定律繼續(xù)有效，甚至還可以摧毀摩爾定律。技術(shù)的進(jìn)步不是線性的，但最終它會帶來更加激動人心的好消息。