在2019年1月舉辦的美國消費電子展(CES)上,Nvidia執行長黃仁勳曾表示,技術產業的大多數人已經考慮並接受這個事實:預測晶片運算能力定期增長的摩爾定律(Moore’s Law)已經走到盡頭。

目前,商業化生產的最小晶片,其特徵尺寸已達7奈米(nm)。隨著電晶體尺寸逐漸逼近原子量級,進一步縮小它們變得越來越困難。許多人認為,若不做出重大變革,即使當今最先進的電晶體設計——鰭式場效電晶體(FinFET)也不可能再低於5nm,而且5nm昂貴的成本也讓人望之卻步。這意味著,摩爾定律所預測的每24個月晶片上電晶體密度翻倍的規律將難以持續。

摩爾定律的終結具有重大影響,因為性能發展的放緩可能會嚴重影響某些運算應用。美國勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)副主任Horst Simon每年兩次幫助評定世界500強超級電腦。他指出,雖然超級電腦同比增長仍然可觀,年度性能增長徘徊在每年1.6倍左右,但從1990年代和2000年初開始已顯著減少——那時的年度進步經常超過2倍。

Simon表示:「我們已看到高階出現減緩。」這種減緩可能影響從天文物理學到氣候學等各種學科,它們都需要使用超級電腦來進行模擬研究。

儘管摩爾定律被打破可能給人帶來空前的感覺,但是提高性能還有很多其他方法,而不用在每個晶片上擠進更多的電晶體(或者等待幾十年後開發出像自旋電子這樣特殊的解決方案)。這只需要有一點創新思維。

進一步專用化(specialization)是一種有前景的策略。過去20年,由於GPU的處理能力遠高於通用CPU,我們已經看到業界廣泛採用其來處理3D電腦圖形和其他多執行緒任務的運算。如今, 各公司已開始將專用晶片(specialized chip,也稱為加速器,accelerator)的應用範圍拓展到其他領域,如機器學習(ML)、安全性和加密貨幣等。

密西根大學(University of Michigan)應用驅動架構研究中心主任Valeria Bertacco表示,我們「看到這一趨勢剛剛開始」。

現在已經有五、六種專用處理器,但是在5~10年內可能會增加至100種,她表示。這種更細微性的專用化帶來了開發新處理器的潛力,從而可以處理現今硬體難以應對的應用,例如社交網路分析所需的複雜圖形運算。

「縮小晶片並不是降低功耗和提高性能的唯一途徑,」她表示,「十年前這可能是最容易實現的方式。」十年後,購買高階電腦的人可能不會那麼關注它有多少GHz的整體處理能力,而會更多地關注它包含了多少專用處理器。

未來十年,某些最引人注目的性能改進可能完全不是來自新的晶片設計,而是來自追趕已有的技術。物聯網(IoT)就是最好的例證,因為它的誕生主要來自十年之前的技術。

物聯網應用執行相對簡單的運算任務,例如管理感測器和定期觸發一些資料,也就是說它不需要很高水準的運算性能。因此,物聯網技術的建設者和用戶更加關注成本,而使用舊技術通常比使用後來者更加便宜。

這種自然發展意味著,根據摩爾定律,從工廠車間的感測器到支援Alexa的烤麵包機…等等一切,仍然可以有十年改進。因此,雖然摩爾定律對於那些處於晶片設計前瞻的人來說已死,但它的靈魂仍在。

即使不增加電晶體密度,有時也可以透過簡單重構現有技術來有效提高效率。其中一種設計方案就是轉向3D結構:將一個處理器黏到另一個處理器上,而不是在晶片內將它們放在彼此旁邊。這樣,處理器就可以更快、更有效地相互通訊。另外,這還可節省封裝費用,因為製造商不必將每個單獨的處理器都裹到塑膠當中。

上述解決方案,以及創新工程師們設想的其他解決方案足以讓我們預見未來十年的性能增長。然而,從長遠來看,摩爾定律的終結可能預示著半導體產業的發展已完全超越了矽的範疇。

採用諸如氮化鎵(GaN)之類的特殊材料有可能成為一個發展途徑,這種材料傳導電子的能力比矽高1,000倍以上;再例如自旋電子元件可以採用有機無機雜化鈣鈦礦等新材料。我們需要跳出製造晶片的固有思維。

然而,對於這些仍是純理論的技術,商業化可能要十年或是更長。它們的發展要靠DARPA(最近向其「電子復興計畫(Electronics Resurgence Initiative)」撥款15億美元)等機構推動,而不是成熟的製造商或風險投資公司。

目前的產業參與者都轉而考慮短期解決方案,即不需要全面重啟整個晶片設計和製造製程的解決方案。憑藉一點創造力和艱苦努力,它們應該能夠繼續獲得顯著的性能增長。

我們有機會反思並從現有設計中獲取更多性能。也可以考慮超越下一輪「再評估、再設計和再利用」這樣的改進而採用新材料和新製程,從而令產業在未來幾十年持續發展。

如果能夠做到上述種種(筆者認為我們已做好了準備),普通消費者可能根本注意不到親愛的摩爾定律已經安息,即使一段時間內還會有哀悼者。

(參考原文: Moore’s Law Ending? No Problem,by Rob Aitken)