摩尔定律或会死，新的技术待解锁

1965年,计算机技术尚处于起步阶段,一位开创性的计算机工程师戈登·摩尔(Gordon Moore)写了一篇让当时的技术人员倍感震惊的文章。摩尔的理论是,计算机的性能每12个月将会提升一倍,而该技术的成本同时下降50%。40年来,所谓的摩尔定律仍坚如磐石。

但对于摩尔来说,这是艰难的日子。去年,摩尔参与创立的计算机芯片制造商英特尔表示,它们将处理性能翻倍的速度已经减缓到30个月。2016年5月,麻省理工学院技术评论的头条文章标题为“摩尔定律已死”。

的确,计算机性能的提升速度正在放缓。这种放缓也确实是一个问题:我们承诺的许多下一代产品取决于更快、更强大、更便宜的芯片,而且它们的发展也印证了摩尔定律将会持续的假设。如果指数级增加放缓或停止,那么虚拟现实、人工智能、自动驾驶汽车、医疗,以及基因工程,甚至最新的智能手机的发展都会明显延缓。但从某个角度看,摩尔定律已死的报告可能严重夸大了事实。

芯片可以做到多小?

摩尔定律未死,但看上去命不久矣。如果它会复苏,工程师和产品设计师必须寻找新的突破口。

“必须”不是建议,而是基于物理学定律。计算机工程师通过缩小芯片尺寸来提升其性能,但这种策略已经过时了。在芯片设计中,我们一头撞向了物理学和几何学的高墙:作为一个实际问题,把芯片变得越来越小是非常困难的。

当代芯片设计已经将芯片各个组成部分之间的空间缩小到了十几纳米。如果您不是工程师,请您想象一张纸的厚度(约1毫米,相当于100,000纳米)。芯片内部的空间大约是一张纸厚度的1/8000。虽然我们有可能进一步缩减这些尺寸到7纳米左右,但是业内估计,仅仅开发7nm芯片原型就将耗资1亿美元,而且全球只有3家公司有能力尝试:台积电(TSMC),三星,以及摩尔创立的英特尔。英特尔刚刚宣布投资90亿美元研发7纳米处理器,这至少需要四年时间。

我们完成了7纳米后,从更小的空间就挤不出东西了。因此,提升计算技术的性能将归结到我们在其他两个领域的创新做得如何,它们是热管理和功率密度。

发热和功率问题是设计和器件的杀手。它们对创新也是致命的。受尺寸以及发热和功率问题的限制,我们基本原地踏步。

步骤1:不要设计发热的芯片

为了重新将计算能力的提升速度恢复到原来水平,我们必须突破热管理的界限。这样来考虑:为了让汽车速度更快,我们需要更强大的引擎和更好的轮胎。但现在,几乎我们做的一切都是提升引擎性能,致使轮胎爆胎。

发热问题已经阻碍了一些计算机工程的进步,例如堆叠。堆叠是一种设计方案,计算机系统的各个部分,诸如处理器、存储器和电源等等层层叠加。这缩短了远程命令,能量必须再机器内传递,节省能源,并提高处理速度。

虽然堆叠的组件速度更快,但是它们产生的热量相对于彼此分开时更多。它们的接近严重限制了工程师维持可行的安全温度的能力。因此,芯片制造商高通和英特尔已经抛弃了堆叠的想法。英特尔组装和测试开发技术总监Babak Sabi对EETimes杂志讲:“没人真正将逻辑存储器堆叠,除非有人提出了热解决方案……我不认为会有人采用这种方案。”

旧的散热技术依靠铜/铝管和铜/铝板来传导和发散热量。但是这些管和板很重,这使得它们在笔记本电脑、手机,和汽车等产品中效率低下。它们同样僵硬、不灵活,这使得它们成为了设计的噩梦,请尝试围着一张铜板设计一部光滑、性感的智能手机。

好消息是,由于热技术阻碍了计算机整体性能的进步,所以它的发展很快。未来的热解决方案可能包括凝胶、浆料,以及新设计的柔性纤维,而不是沉重、刚性的材料。例如,NASA目前正在测试一种新的、轻便的柔性散热材料,看起来和感觉上都很像天鹅绒。

步骤2:从功率投入中获取更多的回报

如果热问题束缚了摩尔定律,那么功率密度问题则让摩尔定律彻底瘫痪。

功率密度是从设定的空间可以汲取的功率量。如果电池相同,更大的功率密度可以提供更多的功率,从而延长续航时间。回到赛车的类比,如果计算机处理是发动机,热管理是轮胎,那么功率密度是燃料。

我们的计算机和其他电子产品越来越快,越来越强,需要在越来越小的空间中集中越来越多的功率——但我们的电池技术却只是缓慢前进。正如三星Galaxy Note 7S告诉你的,在平衡更大的电源需求和更严格的设计规格方面,即使是最轻微的错误,也可能是灾难性的。

能量密度问题对于下一代移动计算产品,如机器人、无人机、空间探索设备,以及电动汽车而言,都是一个巨大的停止标志。对于这些领域,功率密度就是一切。对于更多的休闲消费者而言,缺乏功率密度的改进正是你觉得自己的手机电池电量快速下降的原因。

使问题更进一步复杂化的是,能量密度和热管理是相关的问题。储存,电池充电,以及牵引供电都会产生热量。因此,每当工程师突破一个边界时,另一方面的因素就会变得更加复杂。

芯片技术的未来

但是,我们所面临的并非全是厄运和黑暗。我非常乐观地认为,科学家和工程师们很快就会让摩尔定律的步伐跨越热管理和功率密度。我有信心的原因之一是,克服这些技术、工程和设计挑战的诱因是由消费者驱动的。消费者希望电池续航时间更长,笔记本电脑不太热;他们优先考虑更薄、更轻的产品,而不是处理能力更强的产品。因此,当涉及到风险/回报的商业决策时,解决掉发热和功率问题可以获得可观的经济回报。

另一个乐观的原因是,创新减速造成了技能链的松弛,这意味着,我们在热能或能源技术中每前进一步,都可能在其他方面解锁相应的进步。

当这种情况发生时,新产品和新技术的涌现将变得快速而激烈,这会同时恢复并摧毁摩尔定律。摩尔预测,技术进步可能不是线性的,但最终它可能变得更加激动人心。