與時俱進(jìn) 不斷前行的半導(dǎo)體行業(yè)

　　熟悉處理器的用戶肯定聽說過摩爾定律，在半導(dǎo)體行業(yè)飛速發(fā)展的年代它就是科技進(jìn)步的切實體現(xiàn)。但是與半導(dǎo)體市場和用戶需求一同升溫的還有處理器溫度與功耗，最終由于種種原因，摩爾定律的內(nèi)容實際上已經(jīng)被徹底放緩。但是半導(dǎo)體行業(yè)并沒有止步前行，而是在另一個方向上不斷前行。

　　摩爾定律的意義

　　摩爾定律是由Intel創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出：集成電路上可容納的晶體管數(shù)量，每隔兩年便會增加一倍(圖1);而更多的晶體管使處理器性能提升幅度如何呢?“18個月會將芯片的性能提高一倍”，Intel一位CEO大衛(wèi)·豪斯如是說。

　　圖1

　　需要注意的是，定律原本適用于物理或者自然法則，而并不應(yīng)該適用于半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展。摩爾定律最多只能算作一種觀測或推測，由于源自Intel所以多年來不斷被競爭對手比如AMD或者NVIDIA等廠商吐槽。不過盡管如此，摩爾定律的趨勢確確實實持續(xù)了非常久的時間(圖2)，當(dāng)時不少下游廠商仍樂觀地認(rèn)為摩爾定律將持續(xù)到至少2015年或2020年。也難怪，不斷發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)會成為用戶不斷更新設(shè)備的源動力，有利可圖的廠商的樂觀態(tài)度并不難理解。

　　圖2

　　多種原因使發(fā)展放緩

　　然后事與愿違，到2010年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展已經(jīng)開始放緩;而前幾年可以用飛速來形容的移動設(shè)備的更新增長也在2013年年底放緩。據(jù)業(yè)界樂觀估計，之后的時間里晶體管數(shù)量密度預(yù)計只會每三年翻一倍。

　　這其中的原因是多方面的。首先在傳統(tǒng)PC領(lǐng)域中央處理器方面，自從推出Core 2架構(gòu)后Intel就逐漸將競爭對手AMD越甩越遠(yuǎn)，之后推出的酷睿i7、i5和i3系列更是一騎絕塵，不論是絕對性能和性能功耗比均優(yōu)于同類產(chǎn)品(圖3)。這直接導(dǎo)致自從酷睿二代Sandy Bridge小幅度更新后，之后Ivy Bridge和Haswell的升級幅度幾乎可以忽略不計。目前桌面級i7當(dāng)中主流最強(qiáng)的處理器當(dāng)屬i7-4790K(圖4)，如果將其和i7-2700K對比，你會發(fā)現(xiàn)不僅晶體管數(shù)量沒有倍增，就連同頻性能提升的幅度都十分有限。

　　圖3

　　圖4

　　顯卡領(lǐng)域的情況與處理器類似，比如兩年前的今天最強(qiáng)的桌面單芯顯卡當(dāng)屬GTX TITAN無疑，而當(dāng)下最強(qiáng)的單芯卡還屬GTX TITAN X。如果不說性能單比較晶體管數(shù)量，兩年前的GTX TITAN大概是71億、而GTX TITAN則是80億，雖然有所提升但完全達(dá)不到翻倍的程度。但畢竟TITAN系列的身份特殊，如果說到主流旗艦，GTX 680和GTX 780之間間隔的時間并非到達(dá)兩年，但從35億到71億晶體管之間的提升真實反映了摩爾定律(圖5)。

　　圖5

　　功耗阻礙性能發(fā)展

　　上述所說由于缺乏市場競爭導(dǎo)致的發(fā)展速度放緩其實并不是主因。其實不論什么時候，用戶對于性能的要求是沒有極限的。但為什么摩爾定律速度放緩，實際產(chǎn)品性能停滯不前呢?那就功耗問題和與之俱來的散熱壓力問題。

　　熟悉DIY的用戶肯定記得最初的CPU和GPU幾乎是不需要散熱的，后來逐漸出現(xiàn)了被動散熱鰭片方式的散熱器，之后是尺寸小轉(zhuǎn)速低的小型風(fēng)冷散熱器。隨著晶體管密度越來越高半導(dǎo)體發(fā)熱也越來越大，風(fēng)冷散熱器的鰭片和風(fēng)扇尺寸也與日俱增。直到現(xiàn)在不少超高頻率的產(chǎn)品已經(jīng)不搭載原裝風(fēng)冷散熱器單獨發(fā)售了，官方推薦使用水冷散熱器，這樣的產(chǎn)品其實都是為了追求性能最終向功耗和發(fā)熱妥協(xié)的產(chǎn)物(圖6)。

　　圖6

　　在碩大無比的PC當(dāng)中只要有空間散熱問題都還容易解決，而到了移動設(shè)備上這一問題就有可能遭遇無解的尷尬。ARM架構(gòu)移動智能設(shè)備處理器當(dāng)中的高通其實身份有些類似x86架構(gòu)當(dāng)中的Intel，但是其兩年前的旗艦為驍龍800，而當(dāng)下的旗艦驍龍810提升的幅度非常有限。不僅如此，驍龍810因為其功耗、漏電率和發(fā)熱問題直到今日都沒有普及，就是因為在手機(jī)設(shè)備當(dāng)中解決散熱問題要比PC難上數(shù)倍。

　　摩爾定律新說

　　臺積電董事長張忠謀認(rèn)為“未來5-10年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的摩爾定律將會走不下去?！钡灿胁煌穆曇舫霈F(xiàn)，比如華為手機(jī)總裁何剛受采訪時不認(rèn)同摩爾定律將失效的觀點，他認(rèn)為半導(dǎo)體領(lǐng)域還有很多創(chuàng)新機(jī)會。

　　比如iPhone 6所使用的蘋果A8處理器就是一個很好的榜樣(圖7)，A8處理器的晶體管數(shù)量高達(dá)20億，而核心面積差不多是87mm2，比競爭對手驍龍800系列的120mm2要小得多。而Intel的Haswell處理器中Core i7-4790K是14億晶體管，核心面積177mm2，換句話說臺積電20nm工藝的A8晶體管密度比Intel 22nm 3D晶體管工藝的Haswell處理器還要高。

　　圖7

　　而PC領(lǐng)域顯卡的架構(gòu)更替更能說明問題，比如本代GTX 980擁有53億晶體管、核心面積為398mm2，上代GTX 780晶體管數(shù)量71億，核心面積561mm2。核心面積變小、晶體管數(shù)量變少(圖8)，照理說性能應(yīng)該大幅下降才對，但實際上GTX 980的性能要遠(yuǎn)勝GTX 780。

　　圖8

　　小結(jié)

　　生物在大自然中生存會找到自己的生存之道，而目前半導(dǎo)體行業(yè)似乎也找到了自身的解決之法。不僅依賴于制程，在工藝上的不斷進(jìn)步同面積下晶體管是有可能增加的。而類似顯卡領(lǐng)域那樣利用架構(gòu)的進(jìn)步，就算是核心面積變小晶體管減少依然能帶來性能提升，是目前半導(dǎo)體行業(yè)新的方向。