摩尔定律的一个世纪

_不良法师_

            
            台积电研究副总裁：摩尔定律没有死亡，它也没有减速，任何问题都没有。
            英特尔首席执行官帕特·基辛格：今天，我们预测未来十年我们将保持摩尔定律。
: H. n7 m1 z' L2 O! K8 f: ^            英伟达首席执行官黄仁勋：摩尔定律不再可能。
5 A0 x( o- f8 n+ _            什么是摩尔定律？
            半导体行业和追随它的人可能熟悉摩尔定律，该定律描述了半导体技术的改进，即集成电路中晶体管数量随时间翻倍的节奏。
1 A! n7 d4 d* y" U: _            摩尔定律自 1965 年由半导体行业的奠基人戈登·摩尔 (Gordon E. Moore) 制定以来一直存在，多年来已成为行业协调和进步的基石。尽管有些怀疑论者不时预测摩尔定律的终结，但这些预兆从未成为现实。到 21 世纪，摩尔定律已成为行业传奇。
            半导体行业的重要性
            无法充分描述半导体行业对人类进步的深远影响。
0 K: c9 c' {2 A            由半导体制成的微型晶体管计算机芯片已成为我们 21 世纪信息社会的命脉，就像石油之于 20 世纪工业世界一样。如果没有当今由计算机芯片驱动的无处不在的电子基础设施，几乎什么都无法运行。芯片制造可能是世界上最复杂、过程控制最严密的行业。
8 n8 m$ K( w$ p# q4 }% ]: P1 n            摩尔定律的价值
            摩尔定律准确地描绘了缩小尺寸的途径，从而提高了这些晶体管的性能。这些信息可以被商业专业人士转化为计算机芯片的产量、收入和利润。基于这些知识，半导体公司可以更容易地在资本市场上筹集资金来建设制造工厂，而管理人员可以聘请所需的人力资源并以较低的风险规划长期资本投资。投资者、生产商、系统制造商和消费者都从计算机芯片产品周期的瑞士手表般的规律性中受益。与世界上任何其他行业不同，半导体行业有一个准确的、经过验证的未来路线图……按照摩尔定律的节奏精心策划。
            摩尔定律失效：两次
            但随后，在经历了 40 年的辉煌成功之后，摩尔定律动摇了，怀疑论者蜂拥而至，一切都乱套了。
% N9 ?( b7 p2 q1 T7 J            它始于 2005 年左右摩尔定律的强大技术基础——登纳德标度的放缓，从而标志着摩尔定律第一个时代的结束（图 1，第一阶段）。半导体行业跌跌撞撞，但很快就通过一项技术修复得以恢复，该技术修复使摩尔定律又稳定了 15 年，直至 2020 年左右（图 1，第二阶段）。一次失误和一次修复后摩尔定律走上正轨，在新摩尔定律时代的最初几年（图 1，第三阶段）即 2022 年到达我们今天的位置。尽管由于技术不确定性导致的那两次失误很快得到有效解决，但它们仍然对半导体行业产生了深远影响。
% H. z0 b. }2 [1 A- a1 B            图 1：摩尔定律时间表，包括从 2005 年开始的摩尔弯曲与晶体管/CPU 与多核 CPU 的结合            
2 O6 z, Q3 e9 w: }# t8 u4 p            结果：不同的预言、行业混乱和摩尔定律的替代
            因此，今天，由于两次明显的失败，关于摩尔定律方向的争论越来越紧迫，使行业资深人士和观察家都对 Wong、Gelsinger 和 Huang 等人最近的预测感到困惑。而且，似乎来自行业领导者的这些看似不同的预言还不够令人困惑，随着半导体行业平衡和寻找单一、有效、总体的指导原则，已经提出了许多摩尔定律的替代品。
            摩尔定律的一些提议替代方案包括：每瓦性能、库米定律、节能计算等。
            一个解释
9 I0 k. k! c/ A6 m            一位行业专家声称摩尔定律将继续存在，另一位专家宣称它会加速，而第三位专家坚持认为摩尔定律已经结束并将被取代，至少有五个可行的提议的替代方案。
3 c! M: [2 [0 h/ p% s/ j            首先，让我们看一下摩尔定律的历史和时间表。
/ R# p) F0 i2 }8 e: x            摩尔定律的三个阶段
            从摩尔定律的这段历史和时间表可以明显看出三个独立的阶段（表 1）。
            • 第一阶段，当晶体管密度由登纳德定标控制时，从 1965 年的公式延伸到大约 2005 年。
2 v: l3 j; r- |" @/ X            • 第二阶段的结果是半导体管芯的尺寸水平扩展（“更大的芯片”），通常是通过增加核心数量（核心是一个小的 CPU 或内置在更大的 CPU 中的处理器）。第二阶段从 2005 年左右延伸到 2020 年，届时管芯尺寸达到实际极限。
            • 第三阶段开始于半导体管芯首先垂直缩放，然后通过新的步骤扩展以保持摩尔定律的有效性：复杂的 3D 结构，以及更多的材料、架构、连接选项和封装进步（小芯片等）。影响将是惊人的：所有行业都必须从设计到制造再到过程控制和测试，才能实现第三阶段的变化。
            表 1：每单位面积的晶体管数量每两年翻一番，摩尔定律随时间保持不变。只是翻倍的原因发生了变化，从而导致了摩尔定律的不同阶段。            
/ `: X8 \- L  [% X            解释不同意见
3 j/ S. {6 A# t5 M            要解释对摩尔定律的不同观点，我们必须首先认识到它可以从保守、温和或乐观的角度来看待。例如，对于一个保守的纯粹主义者来说，“传统的”摩尔定律可能在第一阶段结束后于 2005 年左右结束，当时登纳德缩放速度放缓。在那之后，继续设备缩放和集成的经济性变得没有吸引力（图 2）。
" G! ~) y5 Q' W: y& p            图 2：当设备缩放和集成停止提供成本效益时，狭隘的保守派可能会认为“传统”摩尔定律已经结束。一个乐观的乐观主义者可能会得出相反的结论。            
            看图 2 的乐观主义者可能会得出相反的结论：摩尔定律仍然继续支配着设备的改进，甚至可能根据 Stage III 技术的承诺在一段时间内加速发展。
' S* B3 R. _( M* I* a            认为摩尔定律将继续存在而不会发生重大变化的温和派则介于这两种极端观点之间。在温和的情况下，摩尔定律可以继续以其传统的步伐进入无限的未来，既不减速也不加速。
% m# F% ^) V/ I            这能得出什么结论？根据一个人是乐观主义者、悲观主义者还是温和主义者，一个人对摩尔定律的看法可能会大不相同。
5 l! F! |) g- J            一个世纪的摩尔定律？
9 H; U. c4 }: V% s$ g" F) m( ]            今天，半导体行业的许多人继续拥护摩尔定律，尽管不同的观点越来越突出。但这很糟糕吗？分散的行业状况实际上可能是有益的。各种各样的观点，每一个都在争夺思想份额，可能会让这个行业受到更多的关注、投资和增长。不可避免的结论是，投资者、供应商、客户和最终用户应密切关注半导体行业的发展，否则将面临落后于先进技术曲线的风险。在最近的 IEDM 2022 行业会议上，一位半导体行业的领导者自信地预测到 2030 年将有万亿晶体管计算机芯片，这是对戈登摩尔 1965 年的辉煌洞察力的赞颂。
            摩尔定律能持续一个世纪吗？如果是这样的话，那么今天也算是有点人过中年了。也许第三阶段技术充满希望的未来将推动摩尔定律在未来四十年……甚至更久。只有未来才能知道摩尔定律会持续多久。
            补充报道
& d3 J, }; \$ H% O            补充报道1：摩尔定律
            摩尔定律不是一条定律，而是一种历史趋势的投影。摩尔定律预测，由于半导体技术的进步，计算机芯片中的晶体管数量大约每两年翻一番。戈登摩尔确定摩尔定律的原始数据如下图所示。
: Q  x# }" E1 [! |! C. T                        
            补充报道2：将 1980 年代的超级计算机与现代智能手机进行比较
            20世纪80年代的超级计算机比半个多世纪前帮助尼尔·阿姆斯特朗登上月球的超级计算机领先了好多。到 1985 年，超级计算机 CRAY-2 已成为有史以来速度最快、功能最强大的机器。它以 1.9 gigaflops 或每秒 19 亿次浮点运算 (FLOPS) 的峰值性能创造了世界纪录，大大超过了 16 年前阿波罗 11 号制导计算机的 12,250 FLOPS 峰值性能。但是将其与今天的智能手机进行比较，后者的速度比 CRAY-2 快约 5,000 倍，并且为每个人提供了技术民主化。
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            补充报道3：Dennard 缩放比例
# m0 K  e- O& P            罗伯特 H. 丹纳德 (Robert H. Dennard) 于 1974 年在担任 IBM 研究员时提出，以他的名字命名的半导体缩放定律指出，随着晶体管变小，它们的功率密度与面积成比例保持不变，因为电压和电流都随长度缩放（向下）。 虽然 Dennard Scaling 成立，但较小的晶体管运行速度更快、功耗更低且成本更低，它会持续多久也是有限制的。
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