作為一種控制計算的經驗法則，摩爾定律認為，一顆微處理器芯片上的晶體管數量每兩年左右將會翻番。而這通常意味著，芯片的性能也將提升一倍。該定律描述的指數級發展規律將上世紀70年代的第一批原始家用電腦轉變成八九十年代的復雜機器，并且從那時起，促成了當下流行的高速互聯網、智能手機以及同網絡相連的汽車、冰箱和恒溫控制器的興起。

 

　　下個月即將發布的半導體行業路線圖將首次部署一份未以摩爾定律為中心的研發計劃。相反，它將遵循一種或許可被稱為“超越摩爾定律”的戰略：以應用——從智能手機、超級計算機到云數據中心——為開端，然后向下看需要什么樣的芯片來支持它們，而非讓芯片變得更好并使應用跟隨其后。這些芯片將包括新一代傳感器、電源管理電路和一個計算正日益移動化的世界所需要的其他硅器件。

 

　　過熱之困

 

　　踐行摩爾定律遇到的第一塊絆腳石并不出人意料。路線圖繪制機構主席PaoloGargini和其他人早在1989年便對此提出警告。盡管如此，它帶來的打擊卻是沉重的：東西變得太小。

 

　　“過去，無論我們何時將特征尺寸變小，好事總會自動發生。”位于美國加州圣克拉拉市的設備制造商“第三個千年測試解決方案”總裁BillBottoms表示，“芯片會變得更快，并且功耗降低。”

 

　　然而，本世紀初，當芯片的特征尺寸開始縮小到約90納米以下時，這種自動產生的好處不再出現。隨著電子在日益變小的硅電路中不得不移動得越來越快，芯片開始變得過熱。

 

　　這是一個最基本的問題。發熱很難避免，但沒有人想買一部燙手的手機。Gargini介紹說，為此，生產商死死抓住僅有的救命稻草。首先，他們不再試圖增加“時鐘頻率”，即微處理器執行指令的速度。這有效限制了芯片電子的速度，以及它們產生熱量的能力。自2004年起，最大時鐘頻率一直沒有變化。

 

　　其次，在速度受限的情況下，為讓芯片沿著摩爾定律的性能曲線發展，生產商重新設計了內部電路，使每顆芯片含有2個、4個甚至更多處理器，或者說“核”。如今，四核和八核的臺式電腦和智能手機已經非常普遍。Gargini表示，原則上講，“你可以用4顆250兆赫的芯片和單顆1千兆赫的芯片，實現相同的輸出值”。但實際上，利用8顆處理器意味著一個問題不得不被分解成8個部分，而這對于很多算法來說非常困難，甚至不可能。

 

　　即便如此，當和創新性的重新設計結合起來以彌補電子泄漏和其他效應時，這兩種解決方法使芯片生產商得以繼續縮減電路尺寸，并且遵照摩爾定律，繼續提升晶體管數量。現在的問題在于，到本世紀20年代初，由于量子效應的影響，利用硅實現尺寸的持續縮減已不再可能時，將會發生什么？下一步該何去何從？“我們仍在苦苦追尋解決方法。”來自國際芯片生產商——格羅方德的電氣工程師、新路線圖下屬委員會主席AnChen表示。

　　走向移動化

 

　　對于摩爾定律來說，第二塊絆腳石更多的是讓人們始料未及，但幾乎和第一塊絆腳石同時出現：計算正走向移動化。

 

　　25年前，計算是由臺式機和筆記本電腦的需求來定義的。同時，超級計算機和數據中心基本上利用相同的微處理器，只是以更多的數量被打包在一起。如今，計算越來越多地由高端智能手機和平板電腦所做的事情來定義，更不要說智能手表和其他可穿戴設備，以及從橋梁到人體的一切事物中安裝的數量呈爆發式增長的智能設備。這些移動設備的側重點同其更加靜態的“表親”相比完全不同。

 

　　對于移動設備來說，更關鍵之處在于如何在同周圍環境和使用者互動的同時，維持更長的電池續航能力。一部典型智能手機中的芯片必須發送并接收語音呼叫、Wi-Fi、藍牙和全球定位系統產生的信號。同時，它們還要感知觸摸、距離、加速度、磁場，甚至是指紋。不僅如此，智能手機必須擁有管理電池的專用電路，以保證所有這些功能不會將電量耗盡。

 

　　對于很多專用電路而言，設計仍是一件家庭作坊式的事情，而這意味著效率低、花費高。在加州大學伯克利分校，電氣工程師AlbertoSangiovanni-Vincentelli和同事正試圖改變這一點。在他們看來，人們應通過將大量擁有已知功能的現有電路組合起來，創造新的設備，而非每次都從頭開始設計。“這就像利用樂高積木。”Sangiovanni-Vincentelli認為，確保積木共同工作是一項挑戰，但“如果你利用更老的設計方法，成本將會過高”。

 

　　并不令人驚訝的是，成本是芯片生產商近年來非常關注的問題。“摩爾定律的終結并非技術問題，而是一個經濟問題。”Bottoms表示，一些公司尤其是因特爾，在撞到量子效應形成的墻壁前仍試圖縮減組件尺寸。然而，“我們將尺寸縮減得越多，成本就會越高”。

 

　　保持樂觀

 

　　的確，過去十年間不斷增加的成本迫使芯片生產行業出現大規模整合。目前，全球大多數生產線屬于諸如因特爾、三星、臺積電等少數跨國公司。這些生產巨頭同為其供應材料和制造設備的公司形成了緊密的關系。它們已經達成統一戰線，并且發現摩爾定律描繪的路線圖已沒有多大用處。

 

　　以美國半導體行業研究機構——半導體研究公司（SRC）為例，它是路線圖的長期支持者。但SRC副總裁StevenHillenius介紹說，在約3年前，SRC放棄了對路線圖的貢獻，因為成員公司從中已看不到價值。SRC和位于華盛頓的半導體行業協會想推動建立一個更加長遠、基礎的研究議程，并且確保聯邦政府為此提供資助——或許通過白宮在去年7月發起的“國家戰略計算計劃”。

 

　　該議程在去年9月的一份報告中得以布局，并且概述了未來將面臨的研究挑戰。能效是迫切需要解決的重點問題。尤其是對于組成物聯網的嵌入式智能傳感器來說，將需要利用來自外界熱量和振動的能量，使其在沒有電池的情況下仍能工作的新技術。連接性同樣至關重要：幾十億臺分散的設備試圖相互聯系，而云端將需要大量帶寬。解決辦法在于研究人員能充分利用紅外光譜深處曾經無法企及的太赫茲波段。同時，安全也非常關鍵。報告呼吁研究新方法，以建立對抗黑客攻擊和數據竊取的保障措施。

 

　　這些重點任務和其他問題將讓研究人員接下來有很多工作要做。至少包括因特爾先進微處理器研究負責人ShekharBorkar在內的一些行業內部人士對此保持著樂觀態度。他說，的確，從字面上理解，摩爾定律正在終結，因為晶體管數量的指數級增長已無法繼續下去。不過，從消費者的角度來說，“摩爾定律只是在簡單地描述這樣一個事實：用戶價值每隔兩年便會翻番”。通過這種形式，摩爾定律將繼續下去，只要半導體行業能持續用各種新功能填滿其設備。