摩尔定律的更多生命 - 彭博社

在生产更快芯片的竞争中，有时感觉已经够了。我们的桌面电脑有足够的计算能力来模拟星系的诞生，如果有人想的话。手机和个人数字助理充满了令人着迷的通信技巧，但很少有人会使用。那么我们还需要摩尔定律吗——这个原则认为芯片性能应该大约每18个月翻一番？

电子行业的回答是肯定的，原因在于成本和能力。地球上仍有几十亿人尚未购买手机，更不用说个人电脑了。因此，如果芯片制造商能够在未来几年内保持摩尔定律的轨道，那么富裕国家理所当然的数字便利将便宜到每个人都能购买，足够聪明以理解自然语言的请求，甚至能够回应。

然而，现在比以往任何时候都更需要想象力来维护摩尔定律。到目前为止，芯片公司主要依赖一个聪明的技巧：他们缩小芯片上的晶体管，使电子的行程更短，从而加快数据处理速度。但这个技巧变得越来越难以实现。在1990年代，缩小晶体管可靠地导致更快的速度。加州圣荷西的Gartner Dataquest首席分析师加里·史密斯称那是“奶油泡芙时代”。然而，如今电路被紧密打包在一起，芯片开始过热，性能也开始受到影响。这就是为什么像英特尔公司（今年信息技术100强中的第52位）和IBM（第44位）这样的巨头近年来在推出新一代微处理器方面落后于计划的原因之一。

即便如此，芯片制造商认为他们仍然可以在达到瓶颈之前再缩小几个世代。他们正在尝试新材料和生产工具，大多数专家认为这将有序地深入纳米技术。今天的电路线宽约为90纳米——即90亿分之一米。今年和明年将降至65纳米，然后在2010年降至45纳米，2013年降至32纳米，2016年降至22纳米，国际半导体技术路线图（ITRS）这一行业研究小组表示。之后，英特尔技术战略总监保罗·A·加尔基尼表示，“接下来会发生什么尚不清楚。”

幸运的是，缩小只是解决问题的一种方法。另一种已经进入市场的策略是将多个微处理器“核心”连接在同一半导体上。这将需要对运行在芯片上的软件进行全面改造。此外，工程师们正在设计新的方法，将电路层层叠加，形成多层的3D结构。综合来看，这些发展应该能在2270亿美元的全球芯片行业中维持动力，甚至可能持续数十年。它们甚至可能导致性能的飞跃。“我们将看到很多快速发展的演变，”IBM的系统技术和微架构经理菲利普·艾玛说。

在这些不同的方法中，首批超快速芯片是多核设备，通过用两个或更多不需要那么快速的核心替代单个高速处理器来提升性能。“一个300磅的进攻线员可以产生很多力量，”IBM的艾玛说。“但两个160磅的人可以用更少的整体努力完成同样的工作。”在你的桌面上，这意味着用两个2.1 GHz的核心替代一个3 GHz的芯片。结合起来，它们可以在消耗更少能量的同时更快地移动数据，同时运行更凉爽。

已经由先进微设备公司（AMD ）、IBM和英特尔销售用于桌面电脑，多核处理器还有另一个优势：它们的行为是众所周知的。几十年来，公司们一直在构建基于这一原理的超级计算机，处理器组合作用以提高计算速度。然而，这两个市场领域之间存在着巨大的差异。IBM的世界领先的蓝基因/L超级计算机拥有65,000个处理器协同工作。相比之下，个人电脑中的微处理器预计最多将达到八个核心，艾玛预测。

芯片摩天大楼

芯片的更 radical 的重新设计正在绘图板上。三维或堆叠半导体通过垂直排列芯片功能——就像建筑物的楼层——承诺带来显著的性能提升。德州仪器公司首席技术官汉斯·斯托克指出，消费电子制造商已经在这方面迈出了第一步。在手机和个人数字助理等便携设备中，由于空间有限，单个芯片通常堆叠在一起，通过电路板分隔，并通过毫米长的导线连接。

为什么以这种方式堆叠芯片会提高速度并减少功耗？纽约特洛伊的伦斯勒理工学院的詹姆斯·简强·卢这样解释：如果你将一个1厘米见方的处理器切成四块，并在堆叠中直接连接关键功能，你可以将电子必须旅行的最大距离从20,000微米减少到仅10微米。更短的路径提高了速度，同时也意味着保持电子流动所需的功率更少，从而降低了热量输出。卢认为，通过堆叠今天的二维90纳米芯片的元素，可以实现与大约六年后即将到来的32纳米芯片相当的计算速度。

不过，解决3D芯片面临的所有技术障碍可能需要那么长时间。就像建造摩天大楼比建造房屋更困难一样，创建3D芯片将需要开发复杂的3D设计工具和方法。卢的研究小组专注于组装过程，这也将更加复杂。将一个芯片层粘合到另一个芯片层意味着去除坚固的结构基材以暴露芯片的底面，然后对齐并连接这些层，以便微米级的接触点相互接触。

芯片架构的物理重组将迫使软件世界发生类似的动荡。多核设计在软件能够将任务切分并将其分成可以同时并行处理的工作批次时工作效率最高。不幸的是，今天的软件几乎没有针对这一点进行优化，无论是嵌入芯片本身的程序还是桌面上的文字处理器。然而，一旦优化，软件性能可以显著提高，IBM下一代计算系统的软件负责人Shahrokh Daijavad表示。他指出，这在媒体和游戏软件中尤其如此。

但转换所有这些软件必然需要数年时间。为多核处理开发软件“是计算机科学中你学习的最困难的事情之一，”Daijavad说。看到这个挑战，英特尔已承诺将其10,000名软件程序员中的3,000人投入到加速向多核设计转型的工作中。

尽管对摩尔定律的要求感到担忧，芯片制造商表示他们曾经面对过这个深渊并且生存下来。去年，当行业从130纳米转向90纳米工艺时，芯片交付经历了剧烈的中断。但在这种情况下，正如自1965年戈登·E·摩尔首次提出他著名的定律以来的每一次挫折一样，行业找到了绕过障碍的方法。即使是现在已退休的摩尔也承认，他一直对行业不断向前发展的能力感到印象深刻。今天出现的一些新技巧必将带来让摩尔再次印象深刻的收益。

作者：亚当·阿斯顿