1965年,計算機技術處在萌芽期,計算機工程先驅戈登?摩爾(Gordon Moore)寫了一篇論文,沖擊了科技產業。摩爾認為,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正確。
本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201703/345134.htm 現在摩爾定律進入困難時期。去年,英特爾曾表示,現在要讓處理器的性能翻倍需要30個月的時間。2016年5月,曾經刊發一篇文章,標題就是“摩爾定律終結”。
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:許多下一代產品依賴于更快、更節能 、更便宜的芯片,而芯片的進步建立在一個假設之上,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
摩爾定律并沒有死亡,但是它的處境的確不怎么好。如果要讓摩爾定律恢復生機,工程師和產品設計者必須改變方向,尋找新的突破。
“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。
現代芯片設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,它相當于10萬納米。現在芯片中空間的尺寸大約相當于一張紙厚度的1/8000。雖然進一步縮小尺寸是有可能的,比如降到7納米,不過按照產業的估計,即使只是開發一款7納米原型芯片,成本也會達到1億美元,目前全球只有3家企業可以做到:臺積電、三星和英特爾。英特爾已經宣布,投入90億美元開發7納米處理器,開發至少要4年時間。
7納米實際上已經做到了。如果想進一步縮小尺寸,進步的空間并不大。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計難題,也是“設備殺手”。它們對創新至關重要,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。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。
熱問題已經阻擋了某些計算機技術的進步,比如堆疊(stacking),這種設計方案將計算機組件堆疊起來,比如處理器、內存、電源。采用堆疊設計,機器內部命令、電能移動的距離就會縮短,節省能源,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,他們要讓設備在安全可行的溫度下運行。正因如此,高通和英特爾已經拋棄了堆疊概念。英特爾組裝和測試開發技術主管巴巴克?沙比(Babak Sabi)說:“從邏輯上講,沒有人能夠真正將內存堆疊,除非有人可以拿出熱解決方案……我不認為有人會使用堆疊技術。”
老式散熱技術依賴于銅管和鋁管,用墊片導熱。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,老散熱系統太堅硬,不夠靈活,結果成為了設計的“噩夢”:你必須用銅墊片設計苗條性感的智能手機。
熱技術阻礙了計算機整體性能的提升,但是技術正在快速進步,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”,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,可惜電池技術進步緩慢。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格的設計規范,二者必須平衡,如果平衡稍稍打破就會變成災難。
能量密度問題成為一只攔路虎,影響了下一代計算產品的發展,比如機器人、無人機、太空探索設備、電子設備。在這些領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聯的。存儲能源,充電,抽取電能,全都會產生熱量。每一次當工程師在某方面取得進步,另一方面又會失常,導致問題變得更復雜。
未來的芯片技術
前路并非一片黑暗。我們應該保持樂觀,相信科學家、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、工程、設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,經濟回報無疑是巨大的。
之所以樂觀還有一個原因:當我們在熱量、能源技術上前進一步,就會在其它地方取得相應的進步。如果真的做到了,新產品和新技術會變得更快,它們既可以保證摩爾定律繼續有效,甚至還可以摧毀摩爾定律。技術的進步不是線性的,但最終它會帶來更加激動人心的好消息。