摩爾定律為什么會消亡？

2023 年 3 月 24 日，戈登·摩爾去世。戈登·摩爾發(fā)明摩爾定律。他是英特爾公司的創(chuàng)始人之一。1929 年，摩爾出生在美國舊金山，1965 年提出「摩爾定律」，1968 年創(chuàng)辦英特爾公司，1990 年被布什總統(tǒng)授予「國家技術(shù)獎」。他是科學(xué)家與富豪融為一身的雙面人。

摩爾定律核心內(nèi)容是集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過 18 個月到 24 個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能大約每兩年翻一倍，同時價(jià)格下降為之前的一半。

摩爾定律的重要性在于它對現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和電子產(chǎn)品的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。它為半導(dǎo)體工業(yè)提供了一個穩(wěn)定的指導(dǎo)原則，以促進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展和成本的降低。這使得計(jì)算機(jī)、移動設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、音頻和視頻設(shè)備等現(xiàn)代電子產(chǎn)品不斷升級，功能越來越強(qiáng)大，同時價(jià)格越來越實(shí)惠。

近年來，科技界流傳著一種觀點(diǎn)：「摩爾定律已經(jīng)失效」。芯片制造商雖然使用各種手段來跟進(jìn)摩爾定律的步伐，但還是無法避免摩爾定律的加倍效應(yīng)已經(jīng)開始放緩的事實(shí)，不斷地縮小芯片的尺寸總會有物理極限。2021 年，時任英特爾公司 CEO 的帕特·基辛格公開表達(dá)認(rèn)為「摩爾定律仍然有效」，他預(yù)測未來十年摩爾定律將繼續(xù)保持，甚至更新迭代速度會更快。

以下是您需要了解的有關(guān)摩爾定律的所有信息：它對處理器意味著什么、為什么人們說它正在消亡，以及公司如何尋找解決方法。

芯片行業(yè)數(shù)十年來運(yùn)作方式的描述性法則

根據(jù)摩爾定律的法則，如果業(yè)界能夠在一年內(nèi)生產(chǎn)出具有 100 萬個晶體管的處理器，那么在兩年內(nèi)，就有可能生產(chǎn)出 200 萬個晶體管的芯片。

這很大程度上與芯片通過工藝節(jié)點(diǎn)制造的方式有關(guān)。每一個新工藝都應(yīng)該比上一個更密集，這就是該行業(yè)幾十年來能夠滿足摩爾定律預(yù)測的原因。那么為什么要一直增加晶體管的數(shù)量，而不每年制造更大的芯片呢？因?yàn)閱蝹€芯片只能這么大。迄今為止大體積制造的芯片最大可達(dá) 800mm2，可以輕松放入手掌中。因此，需要更高的密度才能將更多的晶體管放入芯片中。

在歷史的大部分時間里，晶圓廠能夠每一兩年推出新的工藝節(jié)點(diǎn)，并保持摩爾定律的發(fā)展。此外，新節(jié)點(diǎn)還提高了頻率（有時簡稱為性能）和能效，因此使用最新工藝通常是公司想要的，除非他們正在做一些基本的東西。

摩爾定律是如何消亡的

業(yè)界預(yù)計(jì)每年都會出現(xiàn)新節(jié)點(diǎn)，但到了 21 世紀(jì)，一個令人擔(dān)憂的跡象出現(xiàn)了，即登納德縮放比例的結(jié)束，該縮放比例預(yù)測更緊湊的晶體管將能夠達(dá)到更高的時鐘速度，但在 2000 年代中期的 65 納米大關(guān)左右，這一情況不再成立。在如此微小的尺寸下，晶體管表現(xiàn)出了物理學(xué)家無法預(yù)見的新行為。

但與 2010 年代初期世界上幾乎所有晶圓廠在 32 納米左右遇到的危機(jī)相比，登納德微縮技術(shù)的結(jié)束算不了什么。將晶體管縮小到 32 納米以下極其困難，多年來，英特爾是唯一一家成功過渡到 22 納米節(jié)點(diǎn)的公司，這是 32 納米之后的下一個全面升級。直到 2010 年代中期，英特爾的競爭對手才得以迎頭趕上，但到那時，行業(yè)已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。

上圖顯示了多年來能夠在特定年份和特定代中制造行業(yè)領(lǐng)先節(jié)點(diǎn)的公司數(shù)量。這一數(shù)字多年來一直在下降，但在 2000 年代末至 2010 年代初似乎趨于穩(wěn)定。然后，當(dāng)公司開始意識到超越 32 納米技術(shù)有多么困難時，他們就認(rèn)輸了。當(dāng)時有 14 家尖端晶圓廠達(dá)到了 45 納米節(jié)點(diǎn)，但只有 6 家達(dá)到了 16 納米節(jié)點(diǎn)。如今，這些晶圓廠中只有三個仍然處于領(lǐng)先地位：英特爾、三星和臺積電。然而，許多人預(yù)計(jì)三星或英特爾最終會加入倒下的行列。

即使是能夠開發(fā)這些新節(jié)點(diǎn)的公司也無法與舊節(jié)點(diǎn)的一代又一代的收益相媲美。讓芯片變得更密集變得越來越困難；比如臺積電的 3nm 節(jié)點(diǎn)就沒有縮小緩存，這是災(zāi)難性的。雖然每一代的密度增益都在下降，但生產(chǎn)成本卻越來越高，導(dǎo)致每個晶體管的成本自 32nm 以來一直停滯不前，這使得以更低的價(jià)格銷售處理器變得更加困難。性能和效率的提升也沒有以前那么好。

所有這些加在一起就意味著摩爾定律對人們來說已經(jīng)死亡。這不僅僅是因?yàn)槲茨苊績赡陮⒕w管數(shù)量增加一倍；問題在于價(jià)格上漲、性能遭遇瓶頸以及無法像以前那樣輕松提高效率。這是整個芯片行業(yè)的生存問題。

即使摩爾定律即將消亡，公司如何滿足摩爾定律的期望

雖然摩爾定律的消亡無疑是一個日益嚴(yán)重的問題，但每年都會有關(guān)鍵參與者的創(chuàng)新，其中許多人正在尋找完全繞過困擾該行業(yè)多年的制造問題的方法。雖然摩爾定律談?wù)摰氖蔷w管，但摩爾定律的精神只需滿足傳統(tǒng)的一代又一代的性能改進(jìn)就可以保持活力，并且該行業(yè)擁有大量可供使用的工具，而這些工具甚至在十年前還不存在。

AMD 和英特爾的小芯片技術(shù)（英特爾稱之為「tiles」）不僅被證明能夠滿足摩爾定律的性能預(yù)期，甚至還能滿足晶體管的預(yù)期。雖然單個芯片確實(shí)只能有這么大，但理論上您可以在單個處理器中添加很多很多芯片。小芯片本質(zhì)上是一個小芯片，它與其他小芯片配對構(gòu)成一個完整的處理器。AMD 在 2019 年采用小芯片，使該公司在臺式機(jī)和服務(wù)器中提供的核心數(shù)量增加了一倍。

另一方面，英偉達(dá)則自豪地宣布摩爾定律已死，并將一切賭注押在人工智能上。通過支持 AI 的 Tensor 核心加速工作負(fù)載，性能可以輕松提高一倍或更多，因此英偉達(dá)根本沒有觸及小芯片。然而，人工智能無疑是一種軟件密集型的解決方案。DLSS 是英偉達(dá)的 AI 驅(qū)動的分辨率升級技術(shù)，需要游戲開發(fā)者和英偉達(dá)雙方的努力才能在游戲中實(shí)現(xiàn)，而且 DLSS 也并不完美。

除了這兩個之外，唯一的其他選擇是簡單地改進(jìn)處理器的架構(gòu)，并從相同數(shù)量的晶體管中獲得更高的性能。歷史上，企業(yè)很難走這條路，雖然新一代處理器帶來了架構(gòu)改進(jìn)，但性能提升通常只有個位數(shù)百分比。無論如何，芯片設(shè)計(jì)人員從現(xiàn)在開始可能有必要更多地關(guān)注架構(gòu)升級，因?yàn)檫@不僅僅是一個階段。