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为什么摩尔定律一直没死 但人们还会继续预测它要死

[摘要] 摘要:本文剖析了为什么摩尔定律会一直发展, 但人们还会继续错误地预测摩尔定律要死的本质原因。 1 关于摩尔定律的话题,我在 2016年,

摘要:本文剖析了为什么摩尔定律会一直发展, 但人们还会继续错误地预测摩尔定律要死的本质原因。

1/ 关于摩尔定律的话题,我在 2016年, 在我的微信公众号里写了六篇连载文章, 标题叫做 ”摩尔定律还能走多远?"

2/ 那么最后的结论是摩尔定律是个经济规律, 是一个技术发展,市场扩大,单价降低,利润再回馈到研发的良性循环。

3/ 但是仔细观察,会发现存在这样一个问题,就是很多业界的大拿,不断预测摩尔定律要死掉,但是摩尔定律从 1965年四月被首次提出来以后,已经五十五年了,一直没死。

4/ 著名芯片设计专家 Jim Keller 在最近和 Lex Fridman 的一个访谈中, 是这么讲的: "我被告知, 摩尔定律在十到十五年内要死掉。我开始以为这是真的,但是十年以后,人们还是说它在十到十五年内要死掉。然后有一段时间(人们说)它在五年内要死掉,然后又回到十年。后来有一天,我决定,不再担心这个事情了”。

5/ "然后我加入 Intel, 所有的人都说摩尔定律要死了,我当时想,这好悲哀,(英特尔)就是摩尔定律的公司。但是(摩尔定律)没死,它总是即将要死。你知道,人性总是喜欢那种世界毁灭之类的言论,我们会没吃的了,会没空气了,会没有生存空间了,等等"

6/ 先把摩尔定律给回顾一下,传统定义是单位面积的晶体管数目每两年翻一番。但实际上它底下有好多不同的技术参数和维度。摩尔定律,2020年和 1980年相比:

单个晶体管的成本: 从 0.1 美分跌到 一亿分之一美分,一千万倍的变化。

单位面积的晶体管数目: 从每平方毫米一千个,变成每平方毫米一亿个,十万倍的增长。

单个芯片上的晶体管数目: 十万,变成三百亿,三十万倍的增长。

fab 的成本: 一百万到一百亿美元,一万倍的增长。

时钟速度:五百万赫兹到五十亿赫兹,一千倍的增长。

这些数据来自 2019年九月 Jim Keller 在加州大学伯克利分校做的一个公开演讲。

7/ 如果按照单位面积的晶体管数目来算,四十年涨十万倍,大约每两年平均增长 78%, 接近翻番。从芯片设计者的角度看,基本上就是同样数目的晶体管,每两年面积减少到以前的大约 60%。 如果按照单个晶体管成本来算,四十年一千万倍的变化,就是每两年价格变成原来的 45%, 或者说同样的钱两年后可以买 2.24倍的晶体管,这个速度比晶体管密度的增长还稍微要快一点。

8/ 按照 Keller 的解释, 人们以为摩尔定律就是一件事,晶体管变小,但表面之下有几千个不同的创新,每一个单一的技术创新路径,都有自己的指数增长然后回报递减的曲线, 这个英文叫做 s-curve. 可以看一下这张图。

9/ 如果你是那一个单一技术创新路径的专家,过去几年指点江山,非常爽,觉得自己有上帝视角,你可以看得很清楚,同时你也知道,你这个技术路线,还有五到十年就走到尽头了。而替代你的技术路径的创新,有很多潜在的不同方向的选择,很多路径和现有技术路径不是一个范畴,现在的专家不懂很正常。但是这些替代的技术路径,暂时还在萌芽状态,还处于不成熟,相对简陋的状态。现在的专家无法提前看清楚, 所以, 他很自然地就会对周围人,对媒体说, ”摩尔定律还有几年就完了“。但是我们作为旁观者,如果把这个当下的专家的判断,当作金科玉律,并以此指导投资,就必然出问题。

10/ 比如说,想象一个芯片设计专家,以前一直是做单核处理器的,single core CPU. 很长时间摩尔定律的增长,是靠提高处理器的时钟速度, 从七十年代初的 一个 mega hertz 涨到 2000年的 一个 giga hertz, 涨了一千倍。到1995年的时候,他看得很清楚,处理器时钟速度上升的空间不多了,再过六七年,超过了三个 gigahertz, 要把时钟速度提高,存在可能芯片过热,甚至面临被烧毁的危险,没法更快了。然后他会很自然地说,摩尔定律再过五到十年就死了,时钟速度无法提高了。但他只是一根筋地去想时钟速度无法提高,如果别人跟他说,我们可以用多核处理器,我们可以增加缓存在芯片上的比例,高度并行的GPU 会用于神经网络计算, 2012年十月人工智能图像识别里面有大的突破,2016年 gpu 支持的人工智能机器可以打败围棋世界冠军,这些东西,要给一个 1995年的芯片设计者讲,是鸡同鸭讲,他无法理解,也无法想象的。他就只会像祥林嫂一样地重复,时钟速度无法提高,摩尔定律要死了。

11/ 再举一个例子,晶体管小型化的过程中,漏电的问题越来越大,原来栅极低下用的是二氧化硅的材料,当晶体管的栅极长度如果缩减到 45 纳米, 会有严重漏电现象,没法在缩小了。 后来在 2007年,英特尔采用了所谓 hi-dieelectric metal gate 高K金属栅极晶体管的技术, 解决了漏电的问题。但是缩小到 25纳米的时候,又会有个短沟道效应的漏电问题,2011年又采用 FinFET 技术解决了这个漏电问题。七纳米以下,现在替代 FinFET 的新的架构叫做Gate-all-around FET (GAAFET)。

12/ 一个硅原子的直径大约是 0.2 纳米, 七纳米,大约相当于三十多个硅原子, 所以我们小型化到两三个原子的尺度,还有十年左右。如果现有物理尺度小型化到了极限,潜在的替代技术路径还有 :自旋电子学 (Spintronics)的