延續(xù)摩爾定律：硬件和軟件界限愈發(fā)模糊

　　摩爾定律誕生50年來一直能夠自我實現(xiàn)，引導(dǎo)整個行業(yè)每兩年將同樣大小芯片上的晶體管數(shù)目翻倍。但近年來，摩爾定律“終結(jié)”的聲音愈發(fā)甚囂塵上。面對如此行業(yè)瓶頸，硬件廠商正不斷吞并融合原先軟件領(lǐng)域的技術(shù)來謀求變革和發(fā)展，硬件和軟件的界限越來越模糊。此前7月，國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS)曾發(fā)布報告稱，半導(dǎo)體體積到2021年將不再縮小。報告認(rèn)為，屆時半導(dǎo)體廠商將面積縮小、放下更多晶體管的做法已經(jīng)在經(jīng)濟(jì)上不劃算，半導(dǎo)體廠商將轉(zhuǎn)向關(guān)注3D芯片等其他新的技術(shù)增強(qiáng)計算力。

　　(上圖來自中金公司研報)

　　就摩爾定律的踐行者英特爾來看，英特爾8月末發(fā)布代號Kaby Lake的第七代酷睿處理器，雖然勉力將14nm芯片縮小至10nm，但10nm的正式發(fā)布已從今年底推遲至明年中期，7nm更是延遲至2022年。

　　雖然摩爾定律并不會真的在5年內(nèi)即刻失效，但傳統(tǒng)計算機(jī)芯片行業(yè)的發(fā)展已逐漸達(dá)到瓶頸，無法像過去50年那樣飛速升級的事實已經(jīng)顯而易見，但硬件生產(chǎn)公司們并沒有暈頭轉(zhuǎn)向，而是選擇在硬件技術(shù)上更多地附加上軟件的烙印。

　　尤其是蘋果，幾乎每12個月即推出的A系列系統(tǒng)芯片，較之前版本效能提升巨大。但這并不是摩爾定律的簡單“續(xù)命”，因為它并沒有繼續(xù)糾結(jié)在“更多更小晶體管”這樣的問題上，而是以蘋果新推出的智能手機(jī)或是其他設(shè)備所需要的功能為訴求。因此，越來越難以區(qū)分芯片的硬件技術(shù)和軟件技術(shù)具體如何分隔了。

　　而這一點正是問題的關(guān)鍵。計算機(jī)領(lǐng)域中軟件向硬件的遷移已經(jīng)在不斷進(jìn)行，并且接下來20~50年或?qū)⒖吹礁嘤布巴淌伞避浖?，或是兩者技術(shù)邊界愈發(fā)融合的景象。

　　不僅僅是蘋果，英偉達(dá)在不斷升級芯片技術(shù)性能的同時，也同時開始在芯片中融入很多原先軟件領(lǐng)域的研究項目，例如立體成像技術(shù)等。再比如微軟，上個月新鮮披露的AR頭顯HoloLens的協(xié)處理器，是由 24 個Tensilica DSP(數(shù)字信號處理)核心組成，該協(xié)處理的設(shè)計工作是由一組專業(yè)芯片設(shè)計師完成的。

　　事實上，工具的升級也將使芯片的設(shè)計變得更加容易，尤其是類似機(jī)器深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)的推動。

　　除了對軟件領(lǐng)域的“蠶食”之外，為了發(fā)展擁有更加強(qiáng)大的儲存盒計算能力的計算機(jī)，向量子領(lǐng)域的進(jìn)發(fā)也是當(dāng)下非常明顯的趨勢。量子計算機(jī)在存儲、計算、資源節(jié)約等方面的優(yōu)勢無可比擬，其存儲信息的能力將呈指數(shù)增長。創(chuàng)業(yè)公司和科技巨頭也競相布局量子計算。

　　摩爾定律正式失效，半導(dǎo)體行業(yè)何去何從

　　摩爾定律可以說是整個計算機(jī)行業(yè)最重要的定律，它其實是一個預(yù)言：每兩年微處理器的晶體管數(shù)量都將加倍——意味著芯片的處理能力也加倍。這種指數(shù)級的增長，促使上世紀(jì)70年代的大型家庭計算機(jī)轉(zhuǎn)化成80、90年代更先進(jìn)的機(jī)器，然后又孕育出了高速度的互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)和現(xiàn)在的車聯(lián)網(wǎng)、智能冰箱和自動調(diào)溫器

　　這個看起來自然而然的進(jìn)程，實際很大程度也是人類有意控制的結(jié)果，芯片制造商有意按照摩爾定律預(yù)測的軌跡發(fā)展：軟件開發(fā)商新的軟件產(chǎn)品日益挑戰(zhàn)現(xiàn)有設(shè)備的芯片處理能力，消費者需要更新為配置更高的設(shè)備，設(shè)備制造商趕忙去生產(chǎn)可以滿足處理要求的下一代芯片。

　　但現(xiàn)在，這種發(fā)展軌跡要告一段落了。由于同樣小的空間里集成越來越多的硅電路，產(chǎn)生的熱量也越來越大，這種原本兩年處理能力加倍的速度已經(jīng)慢慢下滑。此外，還有更多更大的問題也慢慢顯現(xiàn)，如今頂級的芯片制造商的電路精度已經(jīng)達(dá)到14納米，比大多數(shù)病毒還要小。但是，全球半導(dǎo)體行業(yè)研發(fā)規(guī)劃藍(lán)圖協(xié)會主席保羅·加爾吉尼( Paolo Gargini)表示：“到2020年，以最快的發(fā)展速度來看，我們的芯片線路可以達(dá)到2-3納米級別，然而在這個級別上只能容納10個原子，這樣的設(shè)備，還能叫做一個‘設(shè)備’嗎?”

　　恐怕不能。到了那樣的級別，電子的行為將受限于量子的不確定性，晶體管將變得不可靠。在這樣的前景下，盡管這方面已經(jīng)有無數(shù)研究，但目前人們?nèi)匀粺o法找到可以替代如今的硅片技術(shù)的新的材料或技術(shù)。

　　下個月發(fā)布的行業(yè)研究規(guī)劃藍(lán)圖將史無前例地不以摩爾定律為中心，相反，新的戰(zhàn)略可能是“超越摩爾”(More than Moore )：與以往首先改善芯片、軟件隨后跟上的發(fā)展趨勢不同，以后半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展將首先看軟件——從手機(jī)到超級電腦再到云端的數(shù)據(jù)中心——然后反過來看要支持軟件和應(yīng)用的運行需要什么處理能力的芯片來支持，由于新的計算設(shè)備變得越來越移動化，新的芯片中，可能會有新的一代的傳感器、電源管理電路和其他的硅設(shè)備。

　　這種局勢的轉(zhuǎn)變，也改變了半導(dǎo)體行業(yè)圍繞摩爾定律不再團(tuán)結(jié)一致?！按蠹叶疾淮_定新的研究規(guī)劃藍(lán)圖意味著什么，” 愛荷華大學(xué)計算機(jī)科學(xué)家丹尼爾·里德(Daniel Reed)表示。位于華盛頓DC的 半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(The Semiconductor Industry Association， SIA)代表所有美國半導(dǎo)體企業(yè)，已經(jīng)表示不再參與全球半導(dǎo)體行業(yè)研究規(guī)劃藍(lán)圖的章程，而是自行決定研發(fā)進(jìn)度。

　　丹尼爾·里德將之與飛機(jī)制造行業(yè)進(jìn)行比較：“現(xiàn)在的波音787并不比上世紀(jì)50年代的波音707快多少——但這兩個型號的飛機(jī)可差太多了，波音787的創(chuàng)新體現(xiàn)在其他地方，比如全電子控制、碳纖維機(jī)身等，計算機(jī)行業(yè)也是如此，創(chuàng)新將會繼續(xù)，但是會體現(xiàn)在更細(xì)小和更復(fù)雜的地方。”