1965年,計(jì)算機(jī)技術(shù)尚處于起步階段,一位開創(chuàng)性的計(jì)算機(jī)工程師戈登·摩爾(Gordon Moore)寫了一篇讓當(dāng)時(shí)的技術(shù)人員倍感震驚的文章。摩爾的理論是,計(jì)算機(jī)的性能每12個(gè)月將會(huì)提升一倍,而該技術(shù)的成本同時(shí)下降50%。40年來(lái),所謂的摩爾定律仍堅(jiān)如磐石。

但對(duì)于摩爾來(lái)說(shuō),這是艱難的日子。去年,摩爾參與創(chuàng)立的計(jì)算機(jī)芯片制造商英特爾表示,它們將處理性能翻倍的速度已經(jīng)減緩到30個(gè)月。2016年5月,麻省理工學(xué)院技術(shù)評(píng)論的頭條文章標(biāo)題為“摩爾定律已死”。

的確,計(jì)算機(jī)性能的提升速度正在放緩。這種放緩也確實(shí)是一個(gè)問(wèn)題:我們承諾的許多下一代產(chǎn)品取決于更快、更強(qiáng)大、更便宜的芯片,而且它們的發(fā)展也印證了摩爾定律將會(huì)持續(xù)的假設(shè)。如果指數(shù)級(jí)增加放緩或停止,那么虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、自動(dòng)駕駛汽車、醫(yī)療,以及基因工程,甚至最新的智能手機(jī)的發(fā)展都會(huì)明顯延緩。但從某個(gè)角度看,摩爾定律已死的報(bào)告可能嚴(yán)重夸大了事實(shí)。

芯片可以做到多小?

摩爾定律未死,但看上去命不久矣。如果它會(huì)復(fù)蘇,工程師和產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須尋找新的突破口。

“必須”不是建議,而是基于物理學(xué)定律。計(jì)算機(jī)工程師通過(guò)縮小芯片尺寸來(lái)提升其性能,但這種策略已經(jīng)過(guò)時(shí)了。在芯片設(shè)計(jì)中,我們一頭撞向了物理學(xué)和幾何學(xué)的高墻:作為一個(gè)實(shí)際問(wèn)題,把芯片變得越來(lái)越小是非常困難的。

當(dāng)代芯片設(shè)計(jì)已經(jīng)將芯片各個(gè)組成部分之間的空間縮小到了十幾納米。如果您不是工程師,請(qǐng)您想象一張紙的厚度(約1毫米,相當(dāng)于100,000納米)。芯片內(nèi)部的空間大約是一張紙厚度的1/8000。雖然我們有可能進(jìn)一步縮減這些尺寸到7納米左右,但是業(yè)內(nèi)估計(jì),僅僅開發(fā)7nm芯片原型就將耗資1億美元,而且全球只有3家公司有能力嘗試:臺(tái)積電(TSMC),三星,以及摩爾創(chuàng)立的英特爾。英特爾剛剛宣布投資90億美元研發(fā)7納米處理器,這至少需要四年時(shí)間。

我們完成了7納米后,從更小的空間就擠不出東西了。因此,提升計(jì)算技術(shù)的性能將歸結(jié)到我們?cè)谄渌麅蓚€(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新做得如何,它們是熱管理和功率密度。

發(fā)熱和功率問(wèn)題是設(shè)計(jì)和器件的殺手。它們對(duì)創(chuàng)新也是致命的。受尺寸以及發(fā)熱和功率問(wèn)題的限制,我們基本原地踏步。

步驟1:不要設(shè)計(jì)發(fā)熱的芯片

為了重新將計(jì)算能力的提升速度恢復(fù)到原來(lái)水平,我們必須突破熱管理的界限。這樣來(lái)考慮:為了讓汽車速度更快,我們需要更強(qiáng)大的引擎和更好的輪胎。但現(xiàn)在,幾乎我們做的一切都是提升引擎性能,致使輪胎爆胎。

發(fā)熱問(wèn)題已經(jīng)阻礙了一些計(jì)算機(jī)工程的進(jìn)步,例如堆疊。堆疊是一種設(shè)計(jì)方案,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)部分,諸如處理器、存儲(chǔ)器和電源等等層層疊加。這縮短了遠(yuǎn)程命令,能量必須再機(jī)器內(nèi)傳遞,節(jié)省能源,并提高處理速度。

雖然堆疊的組件速度更快,但是它們產(chǎn)生的熱量相對(duì)于彼此分開時(shí)更多。它們的接近嚴(yán)重限制了工程師維持可行的安全溫度的能力。因此,芯片制造商高通和英特爾已經(jīng)拋棄了堆疊的想法。英特爾組裝和測(cè)試開發(fā)技術(shù)總監(jiān)Babak Sabi對(duì)EETimes雜志講:“沒(méi)人真正將邏輯存儲(chǔ)器堆疊,除非有人提出了熱解決方案……我不認(rèn)為會(huì)有人采用這種方案。”

舊的散熱技術(shù)依靠銅/鋁管和銅/鋁板來(lái)傳導(dǎo)和發(fā)散熱量。但是這些管和板很重,這使得它們?cè)诠P記本電腦、手機(jī),和汽車等產(chǎn)品中效率低下。它們同樣僵硬、不靈活,這使得它們成為了設(shè)計(jì)的噩夢(mèng),請(qǐng)嘗試圍著一張銅板設(shè)計(jì)一部光滑、性感的智能手機(jī)。

好消息是,由于熱技術(shù)阻礙了計(jì)算機(jī)整體性能的進(jìn)步,所以它的發(fā)展很快。未來(lái)的熱解決方案可能包括凝膠、漿料,以及新設(shè)計(jì)的柔性纖維,而不是沉重、剛性的材料。例如,NASA目前正在測(cè)試一種新的、輕便的柔性散熱材料,看起來(lái)和感覺上都很像天鵝絨。

步驟2:從功率投入中獲取更多的回報(bào)

如果熱問(wèn)題束縛了摩爾定律,那么功率密度問(wèn)題則讓摩爾定律徹底癱瘓。

功率密度是從設(shè)定的空間可以汲取的功率量。如果電池相同,更大的功率密度可以提供更多的功率,從而延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間?；氐劫愜嚨念惐?如果計(jì)算機(jī)處理是發(fā)動(dòng)機(jī),熱管理是輪胎,那么功率密度是燃料。

我們的計(jì)算機(jī)和其他電子產(chǎn)品越來(lái)越快,越來(lái)越強(qiáng),需要在越來(lái)越小的空間中集中越來(lái)越多的功率——但我們的電池技術(shù)卻只是緩慢前進(jìn)。正如三星Galaxy Note 7S告訴你的,在平衡更大的電源需求和更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)格方面,即使是最輕微的錯(cuò)誤,也可能是災(zāi)難性的。

能量密度問(wèn)題對(duì)于下一代移動(dòng)計(jì)算產(chǎn)品,如機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、空間探索設(shè)備,以及電動(dòng)汽車而言,都是一個(gè)巨大的停止標(biāo)志。對(duì)于這些領(lǐng)域,功率密度就是一切。對(duì)于更多的休閑消費(fèi)者而言,缺乏功率密度的改進(jìn)正是你覺得自己的手機(jī)電池電量快速下降的原因。

使問(wèn)題更進(jìn)一步復(fù)雜化的是,能量密度和熱管理是相關(guān)的問(wèn)題。儲(chǔ)存,電池充電,以及牽引供電都會(huì)產(chǎn)生熱量。因此,每當(dāng)工程師突破一個(gè)邊界時(shí),另一方面的因素就會(huì)變得更加復(fù)雜。

芯片技術(shù)的未來(lái)

但是,我們所面臨的并非全是厄運(yùn)和黑暗。我非常樂(lè)觀地認(rèn)為,科學(xué)家和工程師們很快就會(huì)讓摩爾定律的步伐跨越熱管理和功率密度。我有信心的原因之一是,克服這些技術(shù)、工程和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的誘因是由消費(fèi)者驅(qū)動(dòng)的。消費(fèi)者希望電池續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng),筆記本電腦不太熱;他們優(yōu)先考慮更薄、更輕的產(chǎn)品,而不是處理能力更強(qiáng)的產(chǎn)品。因此,當(dāng)涉及到風(fēng)險(xiǎn)/回報(bào)的商業(yè)決策時(shí),解決掉發(fā)熱和功率問(wèn)題可以獲得可觀的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。

另一個(gè)樂(lè)觀的原因是,創(chuàng)新減速造成了技能鏈的松弛,這意味著,我們?cè)跓崮芑蚰茉醇夹g(shù)中每前進(jìn)一步,都可能在其他方面解鎖相應(yīng)的進(jìn)步。

當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí),新產(chǎn)品和新技術(shù)的涌現(xiàn)將變得快速而激烈,這會(huì)同時(shí)恢復(fù)并摧毀摩爾定律。摩爾預(yù)測(cè),技術(shù)進(jìn)步可能不是線性的,但最終它可能變得更加激動(dòng)人心。