摩爾定律被終結(jié)？是挑戰(zhàn)也是機遇

英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登 摩爾（Gordon Moore）提出了一個著名的定律：半導體的晶體管數(shù)量一開始將每12個月翻一番，之后將每 24個月翻一番。盡管有一些微小的偏差，但半導體處理技術的發(fā)展數(shù)十年來一直遵循這一定律。這種“無限制”的體積縮?。╯caling）可允許復用類似的架構(gòu)設計，為半導體技術的發(fā)展提供更低的成本、更低的功耗以及更快的處理速度。而這種“無限制”的體積縮小的終結(jié)是否意味著計算技術的進步即將走到盡頭？ 最近，關于摩爾定律消亡的言論很多，這個經(jīng)過50多年驗證的定律再次面臨挑戰(zhàn)。
 

none="shifuMouseDownCard('shifu_c_040')">

正如Microsoft Research企業(yè)副總裁Peter Lee博士所說，“摩爾定律的終結(jié)可能是一個轉(zhuǎn)折點。 這將充滿挑戰(zhàn) ， 但同時也是一個機會，可以探索不同的方向，并真正打破這一定律。”

 

 

Number1打破摩爾定律的歷史

 

從摩爾定律的角度是看在芯片上的三極管數(shù)量（也就是更小的體積上存在更多的三極管數(shù)量），但是對于半導體行業(yè)來說這些并不意味著所有半導體瞄準的方向，包括更高速的處理速度和更低的功耗，都是半導體技術提升帶來的好處。人們對半導體技術提升帶來的好處的預期數(shù)十年來一直在變成現(xiàn)實，但這些好處將不再容易實現(xiàn)或預期。

 

處理器的冷卻問題阻礙了處理器頻率技術的指數(shù)級上升，但這種明顯的“障礙”激發(fā)了大量創(chuàng)新，促進了多核處理器的普及。 雖然核心頻率的增長受到限制，但由于多核技術的發(fā)展，結(jié)合可加快圖形、游戲和視頻播放速度的專用矢量處理單元，PC系統(tǒng)性能仍不斷提升。但這些新技術給開發(fā)軟件模型最好地利用這些新的處理塊帶了新的挑戰(zhàn)。

 

隨著處理架構(gòu)的變化，高速晶體管的應用不再僅限于CPU，也應用到I/O子系統(tǒng)中，為處理器提供更高網(wǎng)絡、攝像頭和數(shù)據(jù)采集帶寬。 高速信號處理在無線和有線標準中的應用使得I/O帶寬的增長速度已經(jīng)超過了純粹的晶體管體積縮小速度。

 

Number2利用第三維度（3D-IC和SiP）

隨著芯片設計方面的不斷突破，以前對摩爾定律終結(jié)的預測已經(jīng)變成現(xiàn)實。目前的技術正在通過堆疊芯片和晶體管來更充分地利用第三維度，這將進一步增加晶體管的密度，但也可能帶來新的設計和測試問題。

 

例如，晶體管體積越小，成本越高，這要求新的芯片能夠結(jié)合更多的系統(tǒng)功能來匹配更高的價格。這種先進的“片上系統(tǒng)(SoC)”方法表現(xiàn)在FPGA從簡單的邏輯門陣列演變成高性能I/O和處理系統(tǒng)，將處理器、DSP、存儲器和數(shù)據(jù)接口組合到單個芯片中。許多擴大芯片密度的新選擇從第三維度來考慮，即如何設計晶體管以及如何使用3D-IC技術將現(xiàn)有芯片組合到一個封裝中。

 

雖然片上系統(tǒng)在設計和測試方面更為復雜，但它們的設計目的是通過高集成度來降低終端設計的成本。即便有這些好處，但芯片堆疊會帶來新的復雜性，進而帶來新的挑戰(zhàn)。隨著越來越多的系統(tǒng)開始從第三維度考慮體積縮小，調(diào)試和測試挑戰(zhàn)將變得更加明顯，更多的芯片空間將被用于提供集成的調(diào)試和測試功能。

 

Number3新的計算架構(gòu)

歷史表明，以往在縮小芯片體積時遇到的各種問題激勵工程師進行創(chuàng)新，通過改進架構(gòu)來更好地利用硅技術。 最新的各種挑戰(zhàn)開創(chuàng)了需求導向的計算時代，即通過將多個不同類型的獨特計算架構(gòu)相結(jié)合來解決問題。 
 

計算性能結(jié)構(gòu)圖

 

這種趨勢越來越廣泛地應用于圖像處理器GPU，并與通用CPU相輔相成，但是隨著FPGA、向量處理器甚至針對特定應用的計算塊促進專用計算技術加速發(fā)展，該技術也在更快速地擴張。這些加速的技術，如機器學習技術，將成為未來片上系統(tǒng)的標準組成模塊。