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戈登·摩爾離世 —— 斯人已逝,摩爾定律也已是“遲暮英雄” 終將曲終人散

作者:陳玲麗 時間:2023-03-30 來源:電子產品世界 收藏

英特爾公司和戈登與貝蒂·摩爾基金會宣布,英特爾公司聯合創始人先生于當地時間2023年3月24日星期五在夏威夷家中,在家人陪伴下平靜,享年94歲。

本文引用地址:http://www.fsbox.com.cn/article/202303/445113.htm

1968年7月,和他長期合作的同事羅伯特·諾伊斯創立了英特爾。摩爾最初擔任執行副總裁,自1975年起擔任總裁;1979年,摩爾被任命為董事會主席兼首席執行官,直至1987年卸任首席執行官的職位,并繼續擔任董事長;1997年,摩爾成為名譽主席,于2006年卸任。

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的提出

除了創立英特爾,更為人熟知的成就,當屬提出了計算機領域著名的定律 —— “”(Moore’s Law)。

1965年戈登·摩爾在《電子學》(Electronics)雜志35周年??蠈懥艘黄麨椤白尲呻娐诽顫M更多的元件”的短文,提出了基于實踐數據觀察的著名預測“”,即集成電路芯片上所集成的電路的數目,每隔12個月就翻一番,從而以指數方式提高計算機的數據處理能力。

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后來逐步演化為每隔18-24個月翻一番,再后來又加上了經濟含義,即單位晶體管的價格會每兩年減少一半。無論如何,芯片技術以指數級速度增長,不斷使電子產品變得更快、更小、更便宜,這個想法成為了半導體行業的驅動力,使得芯片普遍用于成百上千萬的日常產品成為可能。

AI時代對摩爾定律的影響

雖然摩爾定律在歷史上發揮了舉足輕重的作用,但是隨著進入AI時代,算力需求持續增加,半導體產業的變革也近在咫尺,業界關于“摩爾定律是否失效”的討論越來越多。

在黃仁勛看來:“摩爾定律已經結束了”。隨著加速計算和人工智能時代的到來,摩爾定律的基本發展動能已經走到盡頭,以類似成本實現兩倍業績預期對于芯片行業來說已成為過去式。

從定律狹義角度來說,摩爾定律確實是死了。因為摩爾定律的定義是集成電路在單位成本及功耗變動不大的條件下,晶體管數目提升一倍。也就是說,摩爾定律的精神在于集成電路性價比成本提升。但目前的發展已經走到性價比裹足不前,顯然已經不符合該定義了。

根據美國喬治敦大學沃爾什外交學院安全與新興技術中心(CSET)發布的研究數據顯示,臺積電一片采用3nm制程的12英寸晶圓,代工制造成本約為3萬美元,約為5nm成本1.7萬美元的1.75倍,也是7nm的3.21倍。在裸片(die)面積不變(即升級架構,不增加晶體管數量)、良率不變的情況下,未來蘋果A17處理器如果采用3nm制程,成本或將上漲到154美元/顆,是iPhone第一大成本零部件。

隨著芯片架構變得更加復雜,制程工藝越來越先進,硅晶片變得更加昂貴,而英偉達GPU和系統體系的發明,可以克服成本和通貨膨脹問題。黃仁勛想到的破局點之一是借助GPU所帶來的加速計算,“解決那些摩爾定律無法解決的,或者說在摩爾定律時代是不可能被解決的問題?!?/p>

黃仁勛將英偉達類比為臺積電,最近發布的“NVIDIA AI Foundations(英偉達AI基礎大模型)”,客戶甚至不用自己配置超級計算機服務,直接借助英偉達DGX Cloud的AI超級計算云服務,通過一個Web瀏覽器就能訓練、訪問大模型產品。

但重返英特爾出任CEO的帕特·基辛格顯然并不認同黃仁勛觀點。在悼念摩爾文章中,基辛格再次重申:“英特爾仍然受到摩爾定律的啟發,并打算追求它,直到元素周期表用盡?!?/p>

無論是基辛格還是黃仁勛的說法,都展現的是企業自身對于公司最匹配的戰略方向考量,從系統角度來講,兩者觀點并不矛盾。從英特爾角度來說,它一直引領技術前進方向,摩爾定律并沒有失效;而黃仁勛的說法,是預測GPU將推動AI性能實現逐年翻倍,這不僅包含工藝節點,還有系統體系、軟件算法、接口設計、數據傳輸等實現指數級提升。

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“What Andy gives, Bill takes aways”(Andy指英特爾CEO安迪·格魯夫,Bill指的是微軟創始人比爾·蓋茨)。這句流傳甚廣的諺語大意是說,硬件性能的大幅度提升所帶來的廣闊空間,很快就會被軟件的發展消耗殆盡。相比起硬件,軟件的進步則要容易得多,也快得多。另外從人們的體驗來說,如果芯片只做制程工藝提升,不做任何優化,性能體驗提升并不會出現質的飛躍。

其實早在2015年,摩爾定律50周年之際,退居幕后做慈善的戈登·摩爾接受紐約時報專欄作家托馬斯·弗里德曼采訪時直言:“摩爾定律”不會永遠持續下去。

OpenAI公司首席執行官、“ChatGPT之父”山姆·阿爾特曼也曾表示,新版摩爾定律很快要來了。我們已經看到了摩爾定律的極限,盡管還沒有觸碰到,AI時代的摩爾定律或許正在孕育中,這可能是對戈登·摩爾最好的致敬。

摩爾定律的極限在哪里?

摩爾定律實現的維度主要分為制造、設計、封裝三方面。摩爾定律在制造端的提升已經逼近極限,開始逐步將重心轉向封裝端和設計端。

隨著人工智能、新的非硅半導體材料、光電量子等新技術的加速,以及半導體工藝和體系結構的改進,近年來,大家逐漸對于“摩爾定律”是否延緩或失效話題產生一定分歧,從而誕生出了多種技術演進方案。

同時,為了提升集成電路PPA:更高的性能,更低的功耗,更小的面積(成本),即使實現了晶體管堆積數量的增加,性能的提升,但是成本的飆升、高昂的價格讓越來越多的企業停下對先進制程的追逐,思考摩爾定律本身的合理性。

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摩爾定律是依據芯片工藝節點提出來的,工藝節點(nodes)是指芯片中MOS晶體管(一種金屬氧化物半導體型場效應晶體管,是一種可變電流開關)柵極的最小長度,其尺寸和晶體管大小成正比。它是我們接觸最多的芯片參數,比如:10nm、7nm等。

當節點是前一代的0.7倍(ITRS規劃的最合適倍數)時,芯片面積將降低一半(0.7X0.7=0.49),換言之,就是單位面積上晶體管的數量翻了一番,這便是摩爾定律提出的基礎。一般而言,每隔18-24個月,工藝節點就會發展一代。

毫無疑問的是,摩爾的預測能力在半導體產業的中早期(2000年之前)至少持續了20年,推動了整個集成電路產業的發展。2000年之前,每一代芯片的性能提升來自兩個方面:一是按照Denard(登納德)微縮效應,每代芯片的頻率提升帶來了40%的改進;二是每代芯片晶體管密度提升帶來的體系結構的改進符合波拉克法則,即平方根級別的提升,達41%。將這兩方面的性能提升疊加,最終得到1.97倍,于是每代會有差不多一倍的提升,而且,芯片晶體管密度的“摩爾定律”可換算成性能的“摩爾定律”。

從行業角度來看,業界一直遵循這一定律,隨著年份推移而指數型尺寸微縮,從而誕生出90nm、65nm、45nm、32nm、28nm —— 每一代制程節點都能在給定面積上,容納比前一代多一倍的晶體管。

但是當柵極縮小到20nm后,漏電率很高,平面型晶體管走到了盡頭;隨后三維鰭式場效應晶體管(FinFET)出爐,使芯片擴展到5nm,延續了摩爾定律。不過4nm后,鰭式結構也面臨著漏電問題,摩爾定律又面臨難題。

值得注意的是,立體晶體管還帶來一個改變,原來用數字代表工藝的提升,那個數字是可以量出來的,有具體意義的物理量。而如今更傾向于營銷概念,而它卻不是節點的長度,而是等效長度,這早已脫離當初的摩爾定律了。

數字越小晶體管越密,7nm代表工藝比14nm更先進比5nm落后,不代表晶體管上的任何尺寸 —— 3nm不是晶體管寬度3nm,拿尺子量,找不到任何一個3nm的尺寸。

并且隨著材料極限的接近,摩爾定律終將失效。因為芯片中連接晶體管的線寬如果只有1nm(幾個原子大?。?,其材料性質會發生變化,導致無法正常工作。

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從摩爾定律的這段歷史和時間表可以明顯看出三個獨立的階段。

? 第一階段:當晶體管密度由登納德定標控制時,從1965年的公式延伸到大約2005年。

? 第二階段:是半導體管芯的尺寸水平擴展(“更大的芯片”),通常是通過增加核心數量(核心是一個小的CPU或內置在更大的CPU中的處理器),從2005年左右延伸到2020年,屆時管芯尺寸達到實際極限。

? 第三階段:始于半導體管芯首先垂直縮放,然后通過新的步驟擴展以保持摩爾定律的有效性。復雜的3D結構,以及更多的材料、架構、連接選項和封裝進步(小芯片等),所有行業都必須從設計到制造再到過程控制和測試,才能實現第三階段的變化。

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實際上,芯片性能的提升主要涉及半導體工藝和體系結構的改進,性能提升的同時,能耗也在提升。但如今,Denard微縮效應遇到了元件物理的瓶頸,早已失效,單核性能的提升沒法純粹依靠主頻的提升。

于是,行業內出現了多核處理器、AI 芯片、專用集成電路(ASIC)或FPGA(現場可編程門陣列)芯片等,以提升芯片吞吐量性能,而非單個核心的計算性能。開始進入“后摩爾時代”。

后摩爾時代的發展趨勢主要有:面向邏輯與存儲的先進數字半導體產品的三維異構集成化;極多功能泛模擬產品的復雜異質集成化;利用云端數據中心、終端綜合識別傳感應用,半導體產業與產品的持續多樣化。

目前業內對于所謂“后摩爾時代”有三大業務方向:More Moore(深度摩爾)、More than Moore(超越摩爾)、Beyond CMOS(新器件),主要在學術、產業兩方面進行探索。

其中在學術方面,近年來,學術界在晶體管方面做出諸多探索,從而繞道解決“摩爾定律”延緩問題;相對于學術界的不計成本,產業行業人士則認為,企業端、產業端擁有很強的市場需求,對于“后摩爾時代”的落地應用則更為實際,擁有更多的價值。

但比如Chiplet是半導體封裝技術,而量子,光電以及類腦等能不能在性能,通用性,以及經濟效益上取代摩爾定律,還未有定論。

盡管當下“摩爾定律”還沒死去,但人們已經在尋求“摩爾定律”放緩下新的技術創新了。短期內“摩爾定律”還會繼續發展,當然不排除有一個革命性的技術來推翻定律??赡?年、10年之后就會有突破性革命技術誕生,比如量子、光電、新的化合物等,完全推翻了我們以前用硅做芯片。但現在這個階段,硅芯片下的摩爾定律還是會往前走的,因為這是我們一個重要的技術迭代的媒介與平臺。



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