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摩尔定律死了怎么办?(150406)
闵应骅
本月正是摩尔定律发表50周年,整整半个世纪。本月的IEEE Spectrum发表四篇文章是关于摩尔定律的。其中一篇的题目叫“Moore’s Law is Dying (and That Could Be Good)”。都是说摩尔定律不可能继续下去了。也触发了本人的一些想法。
1965年微芯片上的元件数增加了1倍,Gordon Moore于是预言这一趋势近期内将继续。1975年他修改为每两年翻一翻,后来又说是18个月,或者说按指数律增长,每年46%。这就是摩尔定律。摩尔定律预言了半导体产业50年的发展。摩尔预言了一个光辉的未来,改变了世界。这样高速的增长在其他产业是见不到的。美国的主粮玉米从1950年以后平均产量每年增长2%,蒸汽涡轮式发电机把热能转换为电能,其效率在20世纪年增长率为1.5%,而1881-2014室内灯光有效性(流明每瓦)年平均增长2.6%,而室外为3.1%。1900年洲际旅行用远洋客轮每小时走35公里,而1958年用波音707每小时885公里,平均每年提高5.6%,但这速度基本保持不变,即使是波音787也和707差不多。1973-2014汽车的燃油的换能效率年平均提高2.5%。所以,半导体产业这50年的特殊高速增长是特例,以后不可能保持的。这并不奇怪!
当元件越来越小、越来越密、越来越快、越来越便宜,增加了功耗,切割了许多产品和服务的成本,特别是计算机和数字相机,也包括发光二极管和光电管,这是电子、光和太阳能时代的革命。但是,这个革命有福也有祸,由于对技术进步高度预期的非预期效应,人们相信技术进步将很快催生自驾驶电动汽车、特超音速飞机、私人定制的癌症治疗、心脏和肾脏的3D打印,世界将从石化到再生能源。但是,晶体管翻倍的这段时间并没有引领人类文明的技术进步。现代生活依赖于许多过程,有待改进,特别是食物和能量的生产和人货的运输。许多历史数据说明这现实,譬如晶体管的第一个商业应用是1952年的助听器,微处理器占据着整个20世纪,甚至更长。晶体管数是翻倍了,但应用并没有翻倍。所以,摩尔定律死了,不必沮丧,下面有下面发展的路子。
若干年前,国内还列了科研题目,如何继续保持摩尔定律有效?我那时就想,我们和摩尔不沾亲、不带故,他的定律死了有什么了不起?摩尔定律不是一个科学定律,而是产业发展的一个预言,一定有时效性。集成度增加以后,漏电流增加,散热问题大,时钟频率增长减慢,无法提高。线宽到2020-2030约为5纳米,相当于10个硅原子的空间。10+年前Roadmap预计线宽可到7纳米,现在又说可以到5纳米。不管怎么样,总会有物理极限。
在这种情况下,我们应该怎么办?首先,我们应该看到,当今的集成电路晶体管数已经不是一个问题。就像原来住平房,由一间屋变成两间屋,你觉得是翻了一翻的改进,舒服多了。可是,现在给你盖一个100层的大楼,你会觉得:我拿这么多房子干什么?无法安排。贪官要29套房子有什么用?集成电路芯片里面,门数足够多,你就不知道用这些逻辑干什么。于是,前几年,出现了多核处理器,一个芯片上多做一些CPU,也许能提高利用率。但是,这些CPU并行不起来,就出现了黑硅的问题,许多晶体管没有用,白消耗着电源。现在这方面的研究还有,但基本是小修小改,走不出摩尔定律的泥潭。其次,没有了摩尔定律,对发展中小企业有利。过去集成电路生产讲究大批量,垄断性的技术,小公司要想和垄断的大公司竞争,基本不太可能。现在,集成电路要专用化,就是针对一个特定的应用,设计生产适合自己需要的芯片。由于芯片生产已经不成问题,问题在产品。所以,集成电路的种类会越来越多,要在各种应用上下功夫。这就引出了产品智能化的问题。如果过去是一级智能,就像下象棋车不要往炮眼上走。这是一级智能,就是机器能看到当前的这一步。现在要搞二级智能,就是说要看到这一步可能使对方抓我的车,而我的车又无路可走。这就看到了两步。当然,更高的智能能够看很多步,甚至可以和著名棋手对垒。这是智能,但不是人工智能。现在我国开始宣扬人工智能与脑科学。其实,人工智能和脑科学不是一码事。人工智能搞了几十年,没搞出什么名堂。现在是要在应用系统里面加智能。Arduino软硬件平台不追求每天一个型号,还在用2005年的硬件,反而使其培育了深层根基,他们欣赏硬件附件的开放标准。另一个例子是中国的山寨手机,它对性能和CPU技术并不敏感。所以,它可以保持芯片不变,而在智能上创新,取得收益。这就给创新提供了足够的空间,更多的各种各样的智能应用系统将回出现。
大量直接面向应用的芯片要求产品的标准化。手机的标准化,部件可以互换,促进维修业的发展。小公司可以少花精力在硬件上,就像开源软件一样用开源硬件。FPGA可能会更受欢迎。CPU芯片只要有一个故障,整个CPU就不能用,而FPGA不是,你可以避开故障点,而且可重构。所以,可编程的多核处理器和可重构的FPGA更有希望。开源硬件运动会进一步深化。现在生产开源硬件的公司比较少,他们只对改制、修改、提高提供足够的文档和许可,而制作他们自己的装置。虽然近年来开源硬件有了大的发展,而且美国还成立了开源研究协会。中国的山寨手机也引起了国际关注,他们就用拼音“shanzhai”,这是小公司崛起的一条路子。
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