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硅谷见证摩尔定律的50年

2015-07-20 10:21:05

当工程师戈登·摩尔提出摩尔定律的时候,电脑还像冰箱那样笨重。然而,这条定律最终成为了整个硅谷的基石。以新 CPU 的发明年份为横轴,CPU 可容纳晶体管数目的对数为纵轴作图,所有的点近似成一条直线,意味着晶体管数目随年份呈指数变化,每两年翻一番。

图片来源:Wikipedia

硅谷 50 年:摩尔的奇迹

当工程师戈登·摩尔提出摩尔定律的时候,电脑还像冰箱那样笨重。然而,这条定律最终成为了整个硅谷的基石。

摩尔当时 36 岁,是仙童半导体公司的研发主管。他在一本行业杂志上发表了篇文章,称在未来的 10 年内计算机芯片的复杂度每年都会翻一番,而不需要附加成本。1975 年,根据工业的研究进展,他把自己的预测更改为每两年翻一番。

而在这过去的 50 年中,芯片制造商大量涌现,整个硅谷由此而生,无疑是对他的话的最好证明。

“摩尔定律就是硅谷的脉搏,它带领着硅谷以史诗般的速度前进,并成为全世界的先驱。”技术顾问 Rob Enderle 如是说。

摩尔的预测迅速地变成了芯片公司们的金科玉律:忽视摩尔定律的公司纷纷被淘汰,紧随它的公司则越来越强大富有——摩尔本人参与建立的英特尔公司(Intel)就是其中之首。

多亏有了摩尔定律,我们今天才能把智能手机放在口袋或钱包里,今天智能手机的性能比 1965-1995 年里最大的电脑还要强劲。没有摩尔定律就没有超薄笔记本电脑,也不可能产生足以绘制整个基因组、或是设计复杂药物的高性能计算机。流媒体视频、社交媒体、搜索功能、云——没有摩尔定律,这些都不可能产生。

“摩尔定律是整个信息时代的驱动力,”著名高速存储器生产开发商兰巴斯公司的首席科学家 Craig Hampel 说,“没有摩尔定律,就没有如今廉价的处理器,如今硅谷 99% 的公司也就不会存在了。”

要么跟随摩尔定律,要么就死

1964 年,《电子学》杂志邀请摩尔为他们 1965 年 4 月刊写一篇文章,讨论集成电路的未来。

集成电路是承载着很多小“开关”(即晶体管)的硅片,它是数字时代的基本构件。集成电路上能承载的晶体管越多,就意味着它们的性能越好。

摩尔观察了半导体制造业中晶体管逐渐小型化的趋势,发现每隔固定的一段时间集成电路上的晶体管数目就能加倍。他找了张坐标纸,画了一条线代表每张芯片上晶体管的数量,这条线像导弹一样直升而上,在至少 10 年内每年都能翻番。

在那一瞬间他明白了接下来会发生什么,哪怕别的人对此还无知无觉。

在文章中他写道:“集成电路会带来一系列的奇迹:家用计算机(或者是连接到中央计算机的终端)、汽车自动控制系统,以及便携的通讯设备。”

加州理工学院教授 Carver Mead 把这条定律命名为摩尔定律。随着各大公司争相生产最强劲的芯片,摩尔定律逐渐成了鉴定芯片公司能否存活的标志:要么每年把芯片上的晶体管数提高一倍,要么就死。

如今已 86 岁的摩尔在接受英特尔公司的采访时说:“一开始我只是想记录一下集成电路的发展历史,没想到它渐渐受到业内各大公司认可,每个公司都得想办法达到这样的速度,落后就要挨打。”

摩尔定律也降低了电子设备的价格。随着科技的进步,把越来越多的晶体管做到芯片里也不再昂贵。若非如此,现在集成电路也只是军方和有钱人才能拥有的产品。英特尔的第一代微处理器(又叫单片机)包含 2 300 个晶体管,价格超过 500 美元;而现在的英特尔酷睿 i5 处理器包含超过 10 亿个晶体管,价格才 276 美元。

“那才是我的真正目标:告诉大家我们的技术能让电子设备越来越便宜。”摩尔说。

而摩尔定律所涉及的领域,远远不止个人科技产品。

“摩尔定律最神奇之处并不是它带来了 iPhone,”加州圣克拉拉市 VLSI Research 公司的G. Dan Hutcheson 说,“在最近的 20 年里,每开发出一种新药都需要计算机来对分子进行模拟。如果没有计算技术的帮助,我们绝无可能合成这么多药物,DNA 分析、基因组学也都不会存在——你根本就没法做基因检测。这一切归根结底都是晶体管的功劳。”

Hutcheson 认为,摩尔的这个预测并不仅仅是一个“自我实现的预言”。他已经预见到随着时间推移,光学、化学和物理学会通力合作,在不提高附加成本的情况下把晶体管变得越来越小。

摩尔定律还能撑多久?

当晶体管小到如今的程度,遵守摩尔定律就越来越困难了。

10 年之前,晶体管尺寸的缩小带来了过热的问题,导致每一代新芯片出现时性能不再有显著的提升了。对此,公司采取了“多核计算机”的方法来应对,即往每台电脑中装多个处理器。

“很多人也开始在硅芯片上寻找其他新方法来提高性能,以延续摩尔定律的预言。”这是 IBM 阿尔马登研究中心的科学技术主任 Spike Narayan 说的。

在一年半之前,更糟糕的事情发生了:连接晶体管的导线越来越细,以至于它们的电阻过大,无法承载足够的电流。Narayan 说,“这可真是个大问题。”

“所以现在的材料研究和创新才这么热——大家都在寻找新的材料和结构用来制造芯片呢。”

而阻挡摩尔定律的另外一个因素,就是芯片缩小,它们消耗的能量也随之上升。“极光”(Aurora)超级计算机的首席设计师 Alan Gara 也说:“我们最大的挑战就是能效问题。”该超级计算机是英特尔公司为芝加哥附近的阿尔贡国家实验室而造的。

英特尔表示,他们已经找到一种新的途径,以在接下来的 10 年里延续摩尔定律所预言的增长。英特尔公司的资深研究者 Mark Bohr 说,下一代处理器正处于“完整开发模式”,Bohr 带领的团队正是决定每一代英特尔芯片如何制造的那一群人。Bohr 正在紧锣密鼓开发的下一代芯片,其中的晶体管已经缩小到了 7 纳米——要知道人类头发的平均直径足有 25 000 纳米。

加州大学伯克利分校的电子工程与计算机科学家胡正明(Chenming Hu)说,摩尔定律所预言的指数增长到某个时间点必定会放缓。他是一代晶体管结构设计的领军人物,也为摩尔定律的延续作出了贡献。

“公司为了掌握更高的市场份额、击败竞争对手,必须要拼命把产品性能翻一番甚至翻两番,这些都是可以理解的,也正是他们的努力使得电子产业取得了如此的高速发展。”胡正明说,“然而,没有哪一种指数增长是可以一直延续下去的。”

胡正明表示,很可能从某一个时间点开始,每两年翻一番的速度就会放缓到每四年到五年翻一番。

“而那可能是个更好的结果——与其灿烂无比又一闪而逝,稳定而缓慢的增长显然是更好的。


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