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电脑芯片的未来:更小 更快 更便宜

http://www.ec.hc360.com2015年09月30日14:55T|T

《纽约时报》网络版撰文对电脑芯片的未来展开解析。文中介绍了摩尔定律对芯片行业的深远影响。然而,这一定律未必将永远应验。芯片开发速度正在放缓,这将使业内竞争更加激烈,同时也能促进行业创新。

    1960年,在宾夕法尼亚大学校园中举行的国际固态电路大会上,一名年轻的计算机工程师道格拉斯•恩格尔巴特(DouglasEngelbart)向电子行业介绍了一个简单但具突破性的概念——缩放(scaling)。

电脑芯片的未来:更小 更快 更便宜

电脑芯片的未来:更小 更快 更便宜

    恩格尔巴特博士从理论上提出了自己的设想,随着电子电路的尺寸不断缩小,元器件的运行速度将不断加快、需要更少的电力,其制造成本也会随之降低。他后来因研发鼠标而被称为“鼠标之父”,也开发了其他个人计算技术。

    那天坐在听众席中有位听众在1968年成为英特尔的创始人之一,他就是戈登•摩尔(GordonMoore)。1965年,摩尔对缩放原理(scalingprinciple)展开了具体的量化阐述,这对计算机时代产生了巨大影响。他预测,至少十年内,芯片上可焊刻的晶体管数量将每年翻一番,最终导致电脑性能发生突飞猛进的进步。

    他的预测发表在1965年《电子技术(Electronics)》杂志的四月刊中,后来被称为摩尔定律。但这一定律并非真正意义上的物理定律,而是摩尔对这个新兴行业发展势态的观察推测,摩尔定律在接下来的半个世纪内被证明是正确的。

    晶体管的宽度大致等同于棉纤维,在60年代初,一个晶体管的价格约为8美元(按当前的通胀率换算而成)。如今,一块指甲盖大小的芯片上可以焊接几十亿个晶体管,而晶体管的价格远低于1美分。

    伴随摩尔定律的应验,硅谷在个人电脑、智能手机和互联网等方面取得了举世瞩目的成绩。

    然而,近几年,摩尔定律中预测的发展速度在放缓。十年前,芯片运行速度已止步不前,新一代芯片的研发周期延长了,单个晶体管的成本已趋于稳定。

    据技术专家表示,未来新一代芯片的研发周期将更长,或许为两年半至三年。他们担心,本世纪20年代中期,届时仅由数个分子构成的晶体管将无法可靠地发挥作用。除非出现新的技术突破,摩尔定律将终结。

    通信芯片制造商博通的首席技术官亨利•塞缪尔(HenrySamueli)打个了形象的比喻,摩尔定律如同老人一样正在老去,头发逐渐发白,“他”并未步入死亡,而是即将退休。

    1995年,摩尔把芯片上容纳的晶体管数量每年翻一番的周期改为每两年翻一番。

    但问题在于,如果运行速度不断增大、能耗不断减少、价格持续走低这三种趋势不能同时持续,将会发生什么。

    前英特尔电气工程师的罗伯特•科尔韦尔(RobertColwell)表示,这种情况产生的影响将远不仅限于计算机行业。他说,“以汽车行业为例,过去30年间什么推动了这一行业的创新?摩尔定律。”他指出,汽车行业在发动机控制器、防抱死刹车系统、导航、娱乐及安全系统等方面的创新大都归因于半导体成本越来越低。

    但永远拥有年轻心态的硅谷未存有这些担心。三十多年来,硅谷坚信,计算机速度将更快、性能将更强、价格将更低。这一前景被描述为“互联网时代”,甚至还催生了“奇点理论”。若达到奇点这一阶段,计算机将超越人类智慧。硅谷的许多人对此坚信不疑。

    物理极限

    芯片由金属线以及以半导体材料为基础的晶体管制成。晶体管是一种能够控制电流流动的电子开关。最先进的晶体管比光的波长还小,最先进的电子开关则比生物病毒还小。

    芯片的生产采用了光刻制造工艺。这一工艺始于20世纪50年代末,并得到不断改进。如今,紫外线激光也被应用到这一工艺中。

    当恩格尔巴特所描述的“缩放”不再应验,大型芯片公司该采取什么措施?它们可以采用软件或拥有相同数量晶体管但计算性能更高的新型芯片设计。或者引入某些特殊材料用来制作速度更快体积更小的晶体管、新型的存储器以及光纤通信线路(而非电子通信线路)。

    还可采用许多具有突破意义的应对之举。例如,量子计算这一技术如果能够投入实际应用,可以大幅缩短加工时间,以及加快自旋电子学的发展。在未来,自旋电子学有望使计算技术进入原子量级元件的时代。

    近来,人们对新型的远紫外线生产工艺(EUV)持有乐观态度。远紫外线的光波约为可见光谱中最短光波的十分之一,从而使生产更小尺寸元件成为可能,同时简化芯片制造过程。但该技术的实效性还未在商业生产中得到验证。

    同三星、台积电等竞争对手不同,英特尔高管坚信,在可预见的未来,公司生产的芯片价格将不断降低。对于晶体管价格已趋于稳定的说法,英特尔表示反对。

    今年7月,英特尔表示将把引进10纳米技术(相较而言,人的一根发约宽7.5000万纳米)的时间延迟至2017年。此举相悖于传统做法,英特尔通常每年都会引入由尺寸更小的晶体管构成的芯片,并在下一年采用新的设计特性。这说明,英特尔是无法扭转摩尔定律“日趋颓势”的局面。英特尔CEO布莱恩•科兹安尼克(BrianKrzanich)表示,“公司的芯片更新周期接近两年半,而不是两年。”这与上述技术专家的推测不谋而合。

    再不能搭便车

    芯片开发速度的放缓将使业内竞争更加激烈,同时也能促进行业创新。当前的状况是,GlobalFoundries、英特尔、三星和台积电占据主导地位,而许多其他半导体制造商的设备不如前述四大企业先进。

    哈佛商学院教授大卫•约菲表示,芯片开发速度放慢也许能使这些落后的制造商得以在不需要最高精尖技术的市场中展开竞争。

    即使晶体管尺寸缩小无法加快芯片速度或降低芯片价格,但仍可以降低功耗。

    超低功耗的电脑芯片将在大约五年后出现,在某些情况下这类芯片甚至不再需要电池,因为它们可由太阳能、震动、无线电波甚至汗水供电。其中许多芯片将成为复杂的新型传感器,被无线集成到计算云的集中式计算系统中。

    这些芯片将促成什么样产品的诞生?我们尚不得而知。但产品设计师将被迫从全新角度思考如何打造新产品,而不是像过去那样被动等待芯片性能的提升。基于摩尔定律,计算机的尺寸变得越来越小,但基本上一直拘泥于原有的设计思路,创新乏力。

    苹果iPod之父托尼•法戴尔(TonyFadell)说,“在过去,设计师们很懒。”

    芯片发明人之一卡佛•米德(CarverMead)指出,“基本上我们都在搭便车。”

    事实上,至少未来10年内,摩尔定律仍会应验。若非如此,人类就得提升自己的创造力了。

责任编辑:李嘉

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