1965年,英特尔的创始人之一,Gordon Moore经过长期观察提出了摩尔定律。最近,IBM的创新副总裁,Bernie Meyerson则认为摩尔定律已经走到了尽头。过去10年间,Meyerson一直负责硅锗和其他高性能技术的研发,并且从2003年开始,他负责IBM的全球半导体研发工作。 他说:“Gordon Moore是一个天才。
没有多少人能在他们的有生之年得出这样的理论,并且在很长一段时间内一直延续下去。” 但是支撑摩尔定律的芯片技术已经改变了,Meyerson认为这一定律已经到了极限。 但是,如果芯片上的晶体管密度不断增加一倍,最终将有一百万倍的晶体管在同一芯片上。如果不采……
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他说:“Gordon Moore是一个天才。没有多少人能在他们的有生之年得出这样的理论,并且在很长一段时间内一直延续下去。” 但是支撑摩尔定律的芯片技术已经改变了,Meyerson认为这一定律已经到了极限。
但是,如果芯片上的晶体管密度不断增加一倍,最终将有一百万倍的晶体管在同一芯片上。如果不采取措施,来解决功率和散热问题,那么从一开始的10瓦特芯片开始,最终芯片的功率将达到10兆瓦,Meyerson说。
“这样的话,当你打开你的笔记本电脑,就会经历一个令人难以置信的起火过程。如果你把你的用户放火烧着了,估计他们也不会成为你的回头客了。 ”所以,芯片产业不是这样运作的。
一位名叫Bob Dennard的研究人员发明了芯片缩放比例定律,这也使得芯片设计师可以在不把用户烧着的情况下,继续使一块硅片上的晶体管的数量翻倍。所以,根据摩尔定律,每18个月就有新一代的芯片产生,其晶体管的数量翻倍,但功率保持不变, Meyerson说。但是Meyerson认为,Dennard的比例定律也走到了极限。
微型化进入核子时代
微型化不可能永远持续下去。 “这就好像折叠一张纸,你也许可以将一张50英镑的纸币折叠八次,但是没有更小的原子核设备, 你就无法继续进行折叠。”Meyerson说。
“你一定要明白,如果你持续把晶体管的尺寸缩小一半, 最终有些晶体管层就只有一个原子的厚度。当你再次把它们的尺寸缩小一半使密度翻倍,那就是核子分裂。当你准备这样做的时候,记得告诉我,好让我躲远点。”
“摩尔定律中关于晶体管如何缩放,其实在十年前就到极限了。就算你能在同一芯片上生产两倍密度的晶体管,也和30年前,芯片厂商只需要把芯片生产一半大小而完全不一样了。”
Meyerson认为, 早在2005年,芯片的某些部分已经只有原子的厚度了。当晶体管的组成部分变得那么薄的时候,它们的运行性能就不一样了,他补充道。
改变半导体的设计
“当绝缘层(二氧化硅)只有几个原子厚的时候, 这就涉及到量子力学。 ”因为它是绝缘体,把它的厚度减半,它的导电性不是翻倍,而是增加到10,000倍以上的导电性。该现象被称为Fowler–Nordheim隧穿。
“二氧化硅,过去的30年被广泛使用,已经不能再被用作绝缘体了,所以现在当你拆开一个晶体管,你就会发现它不存在了。 ”相反,半导体行业已经开始使用新的绝缘材料 – 二氧化铪和硅酸铪。 “这些是非常不同的材料,不能够按照Dennard为硅芯片设计的方式进行缩放。 ”
所以,现在的新一代半导体,反而使芯片变得更糟。Meyerson说: “实际上,它们的运行速度更慢,更烫,而且更耗能。 ”
后硅时代
业内人士不得不研发新的技术,工艺和结构。芯片制造技术正处于14nm工艺。 “未来两到三代的芯片,将进入量子计算, 如果硅晶体管无法像过去一样正常运行,那一切就到了尽头。 ”
Meyerson把这称之为后硅时代。然而,他并不认为会有一种技术可以完全代替硅,并且大规模地投入生产。 “硅仍然存在,但在后硅时代,硅晶体管的运行速度,价格或者性能将很难再有突破,”他说。
他预计, 新类型的计算会出现,如认知计算。例如,之前赢得了美国电视游戏Jeopardy的 IBM的沃森计算机。拥有突触芯片,就像人的大脑一样。
通信的局限性也需要加以解决。光的速度是完全不够的,Meyerson说。
Meyerson说, 一台IBM的机器完成一个机器工作周期的时间(即执行一个单一的机器代码指令) ,相当于光传播了10cm左右。 在一个相当于足球场大小的数据中心内,如果一台计算机向另一台位于球场另一端的计算机发出查询口令,这台计算机需要空运行18,000个机器工作周期,才能得到答案(假设第二台服务器大约相隔100码或91米) 。
他说: “你必须解决你从未遇到过的问题,所以,过去的那么多年,数据中心都是越大越好,而现在企业却希望它们越小越好,这样就可以缩短通信的时间。我们最终会把一排的电脑都浓缩到只有2.5mm厚度的芯片上。而这一切将不再延续摩尔定律。”
Meyerson认为,有大量的IT创新,可以通过集成来实现。 “在过去, IT行业的收益有20%来自于技术 ,其他的80 %则来自于软件和集成。 ”
在后硅时代, 依据摩尔定律芯片每18个月,晶体管密度翻倍,从而取得20%的提升,将不再可行。需要在其他发面寻求突破。他预计,复杂软件系统和特殊处理器,例如现场可编程门阵列(FPGA )和GPU (图形处理单元)将获得更多主流的使用,让IT行业持续提高和改善性能。
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