近幾十年來(lái)，芯片設(shè)計(jì)師設(shè)法將更多更細(xì)小的晶體管集中在一塊硅片上，使計(jì)算機(jī)性能以驚人的速度不斷提升：?jiǎn)螇K硅片的晶體管數(shù)平均每?jī)赡暝黾右槐叮瑐€(gè)人電腦、筆記本和智能手機(jī)功能不斷增強(qiáng)、價(jià)格日益低廉。
發(fā)展遇阻：小芯片高能耗
但是，現(xiàn)在研究者擔(dān)心這樣高速發(fā)展將達(dá)到極限。問(wèn)題并不在于設(shè)計(jì)師能否在芯片上安裝更多晶體管他們一定可以做到問(wèn)題在于，所有電子管工作時(shí)能耗巨大，就像一座城市不能為其整個(gè)街燈系統(tǒng)供電。同時(shí)，它們還會(huì)過(guò)熱。
結(jié)果可能是，迷戀新玩意兒的人，雖早已習(xí)慣了零售商對(duì)新產(chǎn)品夸張的鼓噪，也不得不接受現(xiàn)實(shí)：新一代電子產(chǎn)品只是略有改進(jìn)，而非速度飛漲、價(jià)格跌落、更趨完美。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，下一個(gè)熱門(mén)產(chǎn)品，也許要等更長(zhǎng)的時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)。
“確實(shí)，如果只是沿用以前的處理器，做規(guī)模上的縮放，將無(wú)法再取得進(jìn)步，”圖形處理器制造商英偉達(dá)的首席科學(xué)家兼斯坦福計(jì)算機(jī)科學(xué)教授威廉·J·戴利說(shuō)，“如今再想取得進(jìn)步，需要真正的創(chuàng)新。”
6月召開(kāi)的國(guó)際計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)會(huì)議上的一篇論文總結(jié)了這一問(wèn)題：如今，高端的微處理器芯片負(fù)載了太多晶體管，難以為他們同時(shí)供電。因此，一些晶體管只能處于斷電狀態(tài)行業(yè)術(shù)語(yǔ)稱為暗態(tài)同時(shí)其他的電子管則處于工作狀態(tài)。這一現(xiàn)象被稱為暗硅。
論文作者介紹，最早在明年，這些先進(jìn)的芯片中，在任一時(shí)間都將必須有21%的晶體管處于暗態(tài)。再經(jīng)歷約三代芯片即50余年后，這一限制將更為嚴(yán)峻。芯片上將有更多的晶體管，但其中多達(dá)一半將不得不處于暗態(tài)以避免過(guò)熱。
“我認(rèn)為芯片倒不會(huì)熔化，像液體一樣在電路板上流淌，那太夸張了，”論文作者之一、微軟研究院計(jì)算機(jī)科學(xué)家道格·伯格在電子郵件中寫(xiě)到，“但你會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果，最終電路的一些部分將熔接在一起，使芯片不可修復(fù)。”
這一問(wèn)題有可能沖擊計(jì)算機(jī)界幾十年來(lái)一直成立的定律：摩爾定律。這一定律由英特爾的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出，他認(rèn)為集成電路芯片可容納晶體管的數(shù)目約每?jī)赡暝鲩L(zhǎng)一倍，從而使消費(fèi)型電子產(chǎn)品性能突飛猛進(jìn)。
如果發(fā)展速度放緩，人們認(rèn)為理所當(dāng)然的一些革新將不會(huì)出現(xiàn)，或者出現(xiàn)速度變慢。以后將沒(méi)有新型的個(gè)人電腦、智能手機(jī)、液晶電視、MP3播放器，或是任何能夠迅速創(chuàng)造價(jià)值幾十億的產(chǎn)業(yè)和幾千工作崗位的產(chǎn)品。
在論文中，伯格博士及其合作者模擬了150多個(gè)常用微處理器耗電情況，預(yù)計(jì)到2024年計(jì)算速度平均將僅增長(zhǎng)7.9倍。相比之下，如果沒(méi)有電子管性能方面的限制，最大的增速可能會(huì)達(dá)到47倍。
但一些科學(xué)家持不同意見(jiàn)，認(rèn)為只要新的創(chuàng)意和設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn)，保持計(jì)算機(jī)行業(yè)快速發(fā)展，上述局面將不會(huì)出現(xiàn)。例如，英偉達(dá)的戴利博士就對(duì)未來(lái)芯片設(shè)計(jì)保持樂(lè)觀態(tài)度。
“好消息是，原有的設(shè)計(jì)確實(shí)低效，為改進(jìn)留下充足的空間。”他說(shuō)。但一些與其研究無(wú)關(guān)的專家認(rèn)為，伯格博士和來(lái)自德克薩斯大學(xué)、華盛頓大學(xué)和威斯康星大學(xué)的其他作者，準(zhǔn)確指出了一個(gè)真正的問(wèn)題。
英特爾實(shí)驗(yàn)室研究員謝加·Y·伯卡博士認(rèn)為伯格的分析正中要害，但他補(bǔ)充說(shuō)：“他的結(jié)論與我略有不同。也許未來(lái)無(wú)法重現(xiàn)過(guò)去的輝煌，但也不會(huì)是暗淡的。”
伯卡博士列舉了一些新的設(shè)計(jì)創(chuàng)意，認(rèn)為他們將有助于解決論文中指出的限制問(wèn)題。英特爾近期開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)技術(shù)，使處理器的不同部分能耗不同，處理器同時(shí)擁有低速率、低能耗的晶體管和能夠快速轉(zhuǎn)換但耗能大的晶體管。
如今的處理器芯片越來(lái)越多地采用雙核甚至多核，即兩個(gè)或多個(gè)中央處理器，這使其能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序。未來(lái)，英特爾計(jì)算機(jī)將使用不同的核以最大化地解決不同問(wèn)題，只有部分能耗較大。
盡管英特爾公司5月份時(shí)宣布，采用3維設(shè)計(jì)能夠?qū)⒏嗟碾娮庸懿挤旁趩我恍酒希@一技術(shù)并未解決論文中提到的關(guān)于暗硅的能耗問(wèn)題。論文作者說(shuō)，他們嘗試列舉了一些有前景的革新技術(shù)，他們認(rèn)為問(wèn)題在于，創(chuàng)新者們?cè)诳朔芰肯拗频穆飞夏茏叨噙h(yuǎn)。
“方向有限，如何發(fā)展在于態(tài)度。”伯格博士說(shuō)。
一段時(shí)間以來(lái)，芯片設(shè)計(jì)師一直在努力解決能耗限制問(wèn)題。一個(gè)世紀(jì)前，人們普遍認(rèn)為增加芯片的時(shí)鐘速率(計(jì)算速度)是件容易的事情。但時(shí)鐘速率達(dá)到3千兆赫，芯片就因過(guò)熱而開(kāi)始熔化，行業(yè)發(fā)展碰壁，這引發(fā)了一輪急促而緊張的設(shè)計(jì)革新。
如今，一些前沿設(shè)計(jì)師認(rèn)為還有很大的革新空間。加利福尼亞大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)科學(xué)家大衛(wèi)·A·帕特森說(shuō)暗硅現(xiàn)象的確存在，但他對(duì)作者悲觀的結(jié)論表示懷疑。
“一些論文含有這樣的深意"如果不進(jìn)行創(chuàng)新，我們將走向死亡"，這是其中一篇，”帕特森博士在郵件中說(shuō)，“既然我們都不想死亡，這必然意味著我們需要革新。”
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