More Than Moore

More than Moore

故事要从2月11日说起，那时候朋友圈都刷屏 LIGO对外宣布发现引力波的新闻，而在科研圈，许多科技工作者都认为这样重要的文章上个Nature杂志是没有问题的，而最终它选择发表在 Physics Review Letter。事实上，2月11日Nature的封面是属于半导体行业的，展示了一个人面对前面不同的路，不知道如何抉择，即面对摩尔定律的终结，半导体行业何去何从？

相信对于每一个在计算机行业或者半导体行业鏖战的童鞋们来说，摩尔定律（Moore‘s Law）是再熟悉不过了。但是，还是在此再强调一下。

The number of transistors on a microprocessor chip will double every two years or so.

意思就是微处理器上集成的晶体管数目每两年翻一番。言简意赅，然而这条定律在过去的50年却成为半导体行业一直遵循的准则，支配了整个行业的发展。

Moore's Law

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Power of Moore's Law

摩尔定律既不是一条数学公式，也不是类似于物理中的原理，它是一条预言，一条在过去的50年中无论对科技界还是对人们的生活都产生了重要影响的预言。而它的产生还要从晶体管的发明说起。

1947年，贝尔实验室的John Bardeen, Walter Brattain和 William Shockley 发明了晶体管，这个小小的开关器件日后取代了真空管，并且越做越小。到了1957年，Shockley离开了贝尔实验室，在硅谷创立了Shockley半导体实验室。作为硅谷当时第一家半导体公司，他为硅谷引来了大批优秀人才，使硅谷取代了美国东部，成为美国半导体行业的中心（在今天，一提硅谷，我们更多想到的却是计算机，互联网行业的蓬勃发展）。这期间，半导体行业经历了1957年Noyce带领八叛逆创立FairChild，1958年TI公司的Kilby制作第一支集成电路，到1968年Noyce和Moore创立Intel等等标志性事件。

Traitorous Eight

正是在这期间，1965年Gordon Moore在Electronics杂志上第一次提出了摩尔定律。最开始他只预言了一块芯片上集成的的晶体管和其他元器件的数量每一年翻一番，后来意识到他低估了这个事件，于是在1975年把期限调整为两年。之后，装载有微处理器的产品开始出现： HP的手持计算器，苹果的Apple II计算机和IBM的PC。用户的需求随之增长，各大制造商在芯片的尺寸（scaling）每颗芯片搭载的元器件（scale）方面进行了竞赛，半导体行业蓬勃发展起来。

IBM PC

在摩尔定律的支配下，芯片制造商不断的提升芯片的性能，软件开发人员也相应的开发出能最大限度利用硬件性能的应用。它们之间相互协调促进，而买单的，就是消费者。事实上，从1990年以来，每两年半导体行业都会发布一个research road map来展示芯片制造商的制造水平以及对未来的展望，这个策略有时候称为 More Moore。

正是硬件设备的飞跃发展，才使得软件应用的发展紧随其后，形成了comsumer - software - hardware这样闭环的生态圈。用户的需求刺激了软件行业的发展，随之硬件的能力也要匹配上软件的需求。具体到个人用户的需求来说，更多的时候是软件硬件这个小闭环来刺激用户的需求。试想，一台搭载奔4处理器，512MB内存的电脑能带得动 Win8， Win10这些系统吗；假使可以，系统上的应用也会运行极慢。今天，每个人的身上可以说都携带了以亿计的晶体管，在电脑处理器，内存，传感器中，到处都是它们的身影，只不过是它们都是以纳米尺寸计的，数量之多令我们难以置信！

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End of Moore’s Law！

事实上，这50年来，半导体的工艺呈指数增长的状态，从奔腾4的65nm工艺到如今英特尔声称的7nm先进工艺，进步可谓’触目惊心‘，然而，这种状态不可能无穷无尽的持续下去，到2016年，things are changed now, it almost comes to an end!

在1989年的时候，Gargini 已经预言了有一天摩尔定律会终结，在当时自然不会引起很大的注意。事情看起来总是美好的，每当晶体管的尺寸减小的时候，芯片的性能总会提升，并且能耗更低。直到2000年的时候，当尺寸已经降低到90nm以下的时候，性能似乎没有提升，而随之而来最基础的散热问题变得十分棘手了。为此芯片制造商不得不做出了妥协：

• 停止增加处理器的时钟频率
  时钟频率衡量芯片处理能力的强弱，而越强劲的处理能力意味着更多的散热。通过限制芯片的时钟频率，芯片的散热得到一定程度的抑制。
• 重新设计内部电路
  为了使芯片处理速度能遵循摩尔定律的发展，设计了多核的处理器。如今四核，八核处理器已经非常常见了，四个250MHz的核与一个1 GHz的核的处理能力相当。

以上两种策略使得芯片处理速度跟得上摩尔定律的步伐。但是，到2020年呢，2-3nm的限制凸显，设想线宽相当于只有10个原子的大小，量子力学效应将统治一切。不确定性原理使得晶体管不再可靠，可知芯片的稳定性也不可靠了。或许量子计算机在未来会实现，但它自始至终从未走出过实验室，未来更可能也只是用于军用，很难设想民用有用得上量子计算机的地方。

Microprocessor Transistor

摩尔定律终结！

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Any other strategies ?

那么，有什么策略可以来使得摩尔定律可以继续延续下去呢？

• 寻找硅的替代品
  在数字电路领域，人们一直在孜孜不倦的寻找毫伏开关('millivolt switch')来代替硅，因为它将产生更少的热能。它们都是通过改变电子自旋的状态而非电子的运动来进行传输。然而，它们至今也只是停留在实验室而已。
• 3D架构
  通常的工艺都是二维的架构，但是假如是三维呢？正如中国的房建用地不足一样，向空中发展来解决问题。三维即像摩天大楼(skyscraper)那样将硅层堆叠，这意味着它将拥有更强的处理能力。而实际情况下，这仅仅适用于内存芯片。这是由内存的存取特性决定的：只有在需要存取的时候，特定的内存单元才会工作，那么基本就不会有散热的问题了。
  堆叠微处理器是具有相当的挑战性的，因为堆叠使得热量更大了。一个解决的方法是堆叠独立的内存和微处理器(hybrid architecture)来挥发掉50%的热量。但是当前微处理器和内存芯片的制造工艺的不同的，这意味着需要重新设计芯片的架构。

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More than Moore ?

在三月份，半导体行业的road map就即将发布了，只不过是这一次不再是基于摩尔定律了，而是More than Moore。它也不再是制造出高性能的芯片来让软件应用拓展，而是从实际的应用出发：智能手机，超算中心等。这是一种自上而下的需求驱动生产的方式。随之而产生的必定是新的传感器，电源管理电路和其他硅基应用。所有人都知道摩尔定律的落幕并不意味着半导体行业的终结。想想如今的波音787与五十年代的波音707，它们的飞行速度并没有多大的差别，但是却是两架截然不同的飞机：从全电子控制的机身到碳纤维的机身。计算机也是如此：

Innovation will absolutely continue — but it will be more nuanced and complicated.

与二十五年前不同，当时的计算是定义为计算机所需要的，超算和数据中心也使用同一种微处理器，仅仅是将它们搭载在一起而已，现在是计算的移动化：智能手机，智能手表和可穿戴设备等。这些新产品都将激励半导体行业进行创新。

比如，在过去的市场中，我们仅仅在旧产品的基础上做一点改进并将整个产品卖出去，新的市场将会是我们制造了许多元器件并将它们卖出去。对于终端用户来说，就像在搭Lego积木一样，将元器件搭载并实现用户需要的功能，这将使得 也对半导体行业提出了挑战。

IC Lego blocks

可以这么认为，摩尔定律的终结并不是技术意义上的，而是经济意义上的。每当工艺进步使得尺寸缩小，半导体生产商便要更新它们的生产线，这是非常昂贵的代价，只有少数的大公司才支付的起。从消费者层面来说，摩尔定律显示了每两年消费者在花同样价钱的基础上可以得到双倍的商品价值，只要半导体行业继续在新的方向上继续进步，它对消费者来说还是试用的。

对工程师来说，他们的职责就是engineer!

Engineering

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精彩评论

1. What Google and Amazon decide to buy has a huge influence on what Intel decides to do.
2. My bet is that we run out of money before we run out of physics.
3. The end of Moore’s law is not a technical issue, it is an
   economic issue.
4. The twilight of Moore’s law will not mean the end of progress.