摩尔定律大一统时代的终结序曲

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  INTEL 8086 微处理器应用入门 附录1 8086指令详解（按英文字母顺序) 145页 1.4M.pdf

  这项定律中所述的指数发展规律不仅在70年代~90年代的家用电脑发展史中得到了印证，而且在当今互联网、智能手机、汽车、冰箱、恒温器等等行业的发展中也不例外。

  随着慢慢的变多的硅电路集成到这么一小块区域里，两年一翻倍的发展定律慢慢的开始出现滞缓。目前高端的微处理器已达到了14nm的工艺级别，这一数字已经小于绝大多数病毒的体积。预计在未来十年内，硅处理器就会达到其物理极限。

  “即使是在整个行业不断努力研发突破的前提下，我们也还是会在20年代初期达到2~3nm的芯片工艺极限。”

  而如果再进一步缩小工艺大小的话，电子的行为将会受到量子的不确定性所影响，使得晶体管变得不再可靠。尽管研究工作一直在进行中，但目前并没有能够确定的硅技术继任者。

  “每个人都纠结于路线图实际上到底意味着什么。其实，我们大家可以类比一下飞机业：虽然波音787并不比上世纪50年代的波音707飞得更快，但它们绝对是两架不同时代的飞机——波音787的技术创新就在于全电子操控以及碳纤维机身。这也将会是未来PC业的发展的新趋势，技术上的创新绝不会停止，但它将会以更加微妙和复杂的形式来实现。”

  为了能够越来越好的在业内进行统筹规划，半导体行业历史性的设计了自己的路线图。

  在来自不同公司的数百名工程师的努力下，美国半导体产业协会在1991年的第一次报告上，正式推出了第一份路线图，时任Intel技术战略总监的Gargini担任该协会主席一职。

  事实上，摩尔定律正是在“路线图”的帮助下从一种经验法则变为了一种“自然法”。换句话说，正是因为整个行业的“积极做出响应”才推动了该定律从预言成为了一种既成事实。

  不仅如此，为了确认和保证芯片性能能够继续沿着摩尔定律周期性提升，芯片商们在限制处理速度的基础上又做了进一步的努力。

  “虽然限制了处理速度，但与此同时芯片商们也重新设计了内部电路——让单颗芯片内不再只包含一颗处理器，而是两颗、四颗甚至更多，而这也就是我们如今所说的‘多核心’。发展到今天，四核、八核慢慢的变成了了如今桌面电脑和智能手机的标配。虽然理论上讲，内置4颗250MHz的芯片和单颗1GHz的芯片在处理速度上是一致的，但在现实中，想要用4颗处理器协同运算就从另一方面代表着需要把单一任务分成八个部分来处理。而对于许多任务来说这一拆分过程也是十分困难的。如果无法在多核上实现并行处理的话，将会反而限制芯片性能的提升。”

  即便如此，把这两个解决方案相结合之后，也的确帮助芯片制造商们成功沿着摩尔定律的道路继续缩小电路尺寸，提升晶体管的数量。

  这并不是说芯片业不思创新，他们也想到一种可能可行的解决方案——使用诸如量子计算和神经形态计算的某种全新范式。

  量子计算具备指数增长的计算潜力，而神经形态计算则能够以类大脑神经元的方式来进行计算，两者与传统硅处理芯片相比都有明显的计算优势。

  在数字领域中，另一种解决思路就是去找到某个“毫伏开关”：这种物质需要具备能够与硅匹敌的计算速度，并且要有更低的发热量。

  于是，又有人提出对架构进行改进：接着使用硅作为原材料，但用一种全新的构架设计。

  但说起来容易做起来难，首先面临的一大难题就是量产。目前来看，微处理器和内存芯片的结构差异很大，基本没在同一条生产线上产出的可能。不仅如此，如果想要把两者有机的堆叠起来还需要大幅重新设计芯片结构。但是有鉴于这一解决方案的完美性，还是有很多研究小组在不断努力尝试中。

  斯坦福大学的电子工程师 Subhasish Mitra 和他的同事们就开发出了一种混合架构，能够将内存单元和碳纳米管制成的晶体管堆叠，而且还能保证电子在不同叠加层间进行有序移动。该团队还表示，他们所设计出的这种体系结构能把功耗降低到标准芯片的千分之一。

  践行摩尔定律中遇到的第二个技术瓶颈几乎与第一个技术瓶颈同时出现，但不同的是这一问题是人们始料未及的，那就是计算的移动化。

  在25年前，“计算”（computing）一词的定义还只是局限于桌面和笔记本电脑间，即使是超级计算机或大型的数据中心，从本质上讲也不过是将数量庞大的微处理器放在了一起进行协作计算。但我们再看看现在，日常的“计算”工作已经慢慢的变多的交由智能手机和平板电脑来完成。此外，诸如智能手表等可穿戴设备已经又进一步把“计算”的定义“移动化”。人类对于这些移动电子设备的需求完全不同于传统的PC和笔记本电脑，移动化计算慢慢的变成了了一种趋势。

  把许多各自独立的生产技术结合到一起，使其能够在同一设备中协同工作，是一项十分艰难的事情。

  对于许多的专用电路来说，设计仍然是一项需要耗费大量时间和人力的传统工作。

  芯片工艺的每次提升，都意味着制造商们要制造出更加精确的光刻机。以现在的经济水平来看，建立一个新的生产线通常都需要数十亿美元，大部分企业都无法承担这么多的成本投入，而移动电子设备市场的碎片化问题则进一步加剧了资金回流的难度。

  诚然，在过去的10年里，成本的不断攀升已经导致芯片业内部出现了合并潮。当今世界上大部分的生产线现在都已经落到了诸如Intel、三星、台积电等企业的手里。这些芯片制造业巨头早已与设备制造商们形成了紧密的统一战线，路线图存在的意义已经被大打折扣。

  虽然SRC作为美国行业研究机构，是路线图的长期支持者，但SRC的副总裁Steven Hillenius也表示：

  “大约在三年前，SRC就已不再对路线图的制定提供支持了，因为内部的成员公司已看不到它存在的意义。

  日前，SRC联合SIC一起，开始致力于建立一项更为长效而基础的研究议程，并希望可以在白宫去年7月推出的“国家战略计算计划”中获得联邦的资金支持。

  首当其冲的就是能效问题——特别是对于由嵌入式智能传感器组成的“物联网”，未来将需要在没有电池的情况下，将周围环境中的热能和动能转化为电力；

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