提升制程掌握能力，摩爾定律將持續(xù)進(jìn)化

 互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)微縮并未結(jié)束，隨著制程掌控能力的提升，將可看到持續(xù)的進(jìn)展。

在美國(guó)舊金山舉行的「電子復(fù)興計(jì)畫(huà)(Electronics Resurgence Initiative；ERI)」會(huì)議中針對(duì)摩爾定律(Moore's Law)進(jìn)行討論，當(dāng)時(shí)的結(jié)論是摩爾定律已死——摩爾定律萬(wàn)歲！

但進(jìn)一步探討當(dāng)時(shí)的討論內(nèi)容時(shí)，需要先對(duì)所謂的摩爾定律進(jìn)行了解。

Gordon Moore在1965年最初觀察到，當(dāng)更多功能(functions)整合到積體電路(IC)時(shí)，每個(gè)功能的單位成本(cost per function)會(huì)降低。首先，此觀察的根基來(lái)自經(jīng)濟(jì)學(xué)效益，即使基礎(chǔ)技術(shù)和進(jìn)步速度不斷提升，其本質(zhì)仍維持不變。

Moore并未對(duì)效能部分進(jìn)行觀察。為此，轉(zhuǎn)而參考Robert Dennard和Fred Pollack的說(shuō)法。Dennard在1974年觀察到，如果以正確的速率縮放功能和電壓，隨著電晶體變小，尺寸、頻率和功率方面也會(huì)得到改善。英特爾(Intel)的Pollack發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微處理器的復(fù)雜度提升一倍時(shí)，性能將提升2的平方(即四倍)。根據(jù)這些理論，可以構(gòu)建一個(gè)包括價(jià)格、整合和效能的用戶價(jià)值三角關(guān)系圖(圖1)。

圖1 價(jià)格、整合及效能的用戶價(jià)值關(guān)系圖。

那么，當(dāng)人們說(shuō)摩爾定律已經(jīng)失效時(shí)，那是代表什么意思？它們通常不是指摩爾定律(經(jīng)濟(jì)學(xué)層面)本身。

首先，當(dāng)人們感嘆中央處理器(CPU)核心頻率不再像90年代那樣一直提升時(shí)，其實(shí)指的是Dennard縮放定律(Dennard Scaling)。我們雖然從未完全遵循此定律，但在90年代的發(fā)展最能符合此定律。

第二點(diǎn)，當(dāng)人們感嘆電腦速度無(wú)法更快，這與Pollack對(duì)于處理器的觀察有關(guān)，但并未考慮到網(wǎng)路或記憶體限制所造成的問(wèn)題。大部分的架構(gòu)受限于記憶體，然而許多日常需要處理的工作卻受限于網(wǎng)路，打造速度更快的處理器只會(huì)產(chǎn)生增量增益(incremental gains)。

第三個(gè)論點(diǎn)并未包含在三角關(guān)系圖中，而是與經(jīng)濟(jì)學(xué)有關(guān)：先進(jìn)的設(shè)計(jì)會(huì)增加成本。有些公司無(wú)法采用新的設(shè)計(jì)，因?yàn)閮r(jià)格太高，并且可能導(dǎo)致所謂的「我們并不需要這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)」的想法。

在2000年代初期就已開(kāi)始出現(xiàn)這些論點(diǎn)，而當(dāng)時(shí)，技術(shù)開(kāi)發(fā)者忽略這些觀點(diǎn)而持續(xù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以下是這十年進(jìn)展中的一個(gè)例子：將客制化微波爐大小的電腦系統(tǒng)縮小到大型平裝書(shū)的尺寸，且此新系統(tǒng)的效能優(yōu)于舊系統(tǒng)(圖2)！透過(guò)整合創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)價(jià)值，即為摩爾定律的精髓，盡管Dennard縮放定律已經(jīng)終結(jié)，功耗與效能比仍持續(xù)改進(jìn)。

圖2 將微波爐大小的電腦系統(tǒng)縮小到大型平裝書(shū)的尺寸，效能還優(yōu)于舊系統(tǒng)，即為摩爾定律的精髓。(來(lái)源：https://www.techpowerup.com/reviews/Intel/SkullCanyonNUC/6.html)

關(guān)于摩爾定律的未來(lái)發(fā)展，采用圖3來(lái)表達(dá)。

圖3 摩爾定率的未來(lái)＝CMOS微縮＋3D制程＋創(chuàng)新功能(Novel functions)，未來(lái)產(chǎn)品演進(jìn)＝異質(zhì)系統(tǒng)＋創(chuàng)新資料處理架構(gòu)。

CMOS微縮并未結(jié)束，隨著提升制程掌控的能力，將可看到持續(xù)的進(jìn)展。制程受到物理方面的限制不大，而是在于產(chǎn)出大量高精密產(chǎn)品的能力不足。這很困難，但期望能堅(jiān)持下去。

英特爾從發(fā)展22奈米節(jié)點(diǎn)的三閘極電晶體(FinFET制程)開(kāi)始轉(zhuǎn)向3D制程。舉個(gè)更好的例子是，英特爾在5月發(fā)表了一個(gè)96層、x4(4bit-per-cell)NAND flash記憶體，每個(gè)晶粒(die)可以封裝高達(dá)1Tb的資訊。這是一個(gè)真正的后Dennard縮放定律的例子，在不進(jìn)行特征縮放(feature scaling)的情況下，增加晶粒封裝的功能。再過(guò)一段時(shí)間，預(yù)期將有更多邏輯IC采用3D制程。

英特爾有一些頗具前景的研究項(xiàng)目，像是穿隧式電晶體(tunnel FET)和鐵電材料，它們能大幅提高功率性能比，然而，它們并不能輕易地替代CMOS。因此，希望透過(guò)異質(zhì)整合的方式，可能以堆疊層方式(as layers)，結(jié)合縮放CMOS的優(yōu)點(diǎn)，以及這些新項(xiàng)目(技術(shù))提供的新功能來(lái)達(dá)到目的。

隨著資料的數(shù)量和類(lèi)型快速增加，希望能因應(yīng)未來(lái)新型態(tài)的資料處理市場(chǎng)，快速地建立起創(chuàng)新架構(gòu)。以異質(zhì)架構(gòu)來(lái)進(jìn)行，不僅能提升處理速度，也可整合來(lái)自多個(gè)團(tuán)隊(duì)的小晶片(chiplet)。

整合記憶體和運(yùn)算方式的新架構(gòu)可作為后Pollack定律在資料處理方面的說(shuō)明，像是英特爾的神經(jīng)形態(tài)研究晶片Loihi就是一個(gè)例子。人工智慧(AI)在運(yùn)作時(shí)，通常采用不同的記憶體存取模式，因此可采用與傳統(tǒng)的軟體工作方式不同的資料處理結(jié)構(gòu)。

綜合以上結(jié)論，期望摩爾定律的經(jīng)濟(jì)效益能持續(xù)下去，即使有些部份與當(dāng)時(shí)摩爾觀察的有所不同。事實(shí)上，不需要被這些論點(diǎn)所影響，而應(yīng)該在未來(lái)50年內(nèi)不斷地發(fā)展出越來(lái)越好的產(chǎn)品。

(參考原文：The Continuing Evolution of Moore's Law，by Michael Mayberry）