摩尔定律是否有未来?

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西蒙，西格斯，在ARM公司的员工编号是16，自1991年进入这家芯片设计公司以来，他就见证了源源不断的技术进步，但是现在他认为重大动荡即将出现。

ARM公司实体知识产权部执行副总裁兼总经理西蒙・西格斯(Simon Segars)近日在硅谷近郊斯坦福大学举行的HotChips高性能处理器大会上发表了主题演讲，他当时说：“我认为业界在未来不会像过去那样平静。”

“业界将来可能会出现动荡。”

西格斯表示，微处理器行业之前获得了几乎未曾间断的一系列改进；他提到了硅生产技术、降低功耗、装置尺寸和装置成本减小等方面的进步――他带来了1983年产售价3995美元的摩托罗拉DynaTAC手机，作为佐证。

但是行业格局在变化。容易解决的问题已经被搞定了；将来需要一种新的思路，才能为世人提供无数低成本、低功耗的微处理器――移动性越来越强的计算生态系统需要这种微处理器，而当前的热门技术“物联网”所描述的一切设备都互联的世界更需要这种微处理器。

西格斯回想当初进入ARM时说：“早在上世纪90年代初，2G还是个难题。通用处理器、数字信号处理器(DSP)和一点点控制逻辑解决了这个难题；但2G实际上是种可编程技术。它在当时属于难题，但是按今天的标准来看，那完全不费吹灰之力。”

他并不是完全沉浸在旧时光当中。他其实要表明的一点是，硅片越来越复杂，而且他有数字为证：他说，“有望带来约100倍带宽的4G调制解调器将比2G调制解调器复杂约500倍。”

西格斯表示，将来解决4G调制解调器问题会采用这种方式：添加众多专用DSP处理引擎来解决――这当然需要在硅片上占用大量空间。

他说：“但那不是很糟糕，因为硅片尺寸一直在缩小。但是硅片的耗电量会很大，这才是真正的问题。”

ARM是一家移动处理器公司，而移动处理器用的是电池――西格斯表示，解决日益复杂的硅片的耗电问题是个系统级的挑战。他说：“原因就在于，电池方面的表现确实相当差劲。”

虽然硅技术得到了相对很迅速的改进，但电池方面却没有。西格斯说：“在过去，电池供电量每年以约10％或11％的幅度增长；遗憾的是，它与摩尔定律不是很匹配。”

摩尔定律将受到考验

但是尽管电池在移动市场是个大问题，一些更严峻的挑战却会让微处理器市场的未来与过去不一样。

举例说，芯片设计的难度和有关物理原理的错综复杂性在增加，这使得设计工艺面临的风险大得多，提出的要求也高得多。西格斯说：“你确确实实要为这个问题而担心。”

担心的原因在于风险和成本。他说：“完成初步芯片设计的成本将高得离谱。如果你已经为制造芯片的光刻掩膜技术投入一两百万美元时，肯定希望造出来的芯片没问题。而投入到确认和验证设计的精力和财力将增加好几个数量级。”

西格斯眼里的另一个挑战是由半导体行业的日益分层引起的――这种情况带来了许多优点，但同时也存在其缺点。

他说：“厂商最初开始制造半导体设备时，什么生产环节都是在完全垂直整合的公司里面自己来搞。晶圆制造、产品设计、产品制造、实例设计――整个流程都是厂商自己来搞。”

后来，这种情况逐渐发生了变化――在西格斯看来，这总体上是好事。现在行业有众多公司专门从事不同的领域，比如芯片设计、知识产权、电子设计自动化(EDA)、封装和芯片烘焙等等。

这种专业分工一向有助于分摊成本和风险，有助于充分利用规模经济效应――比如说，台积电(TSMC)和Global Foundries(从AMD中分拆出来的一个半导体生产公司)为许多不同的无晶圆厂芯片设计厂商生产硅片。

垂死的艺术和日减的晶圆厂

但由于更多的公司致力于设计而非制造，西格斯觉得很危险。他提醒说：“在晶体管层面所需的技能成了一门垂死的艺术。”

他说：“将来，我们会开始担心将来要处理的非常奇特的工艺，晶体管方面的那些技能会变得再度非常重要。而作为设计厂商，你必须要关注从架构直到晶体管的每一个方面。”

但不过半导体行业变得如何“分散”，最终总得有厂商实际生产芯片。西格斯提醒台下听众注意赛普拉斯半导体公司的T.I.Rodgers所说的那句名言：“真正的厂商自己有晶圆厂”，但他随后又指出了这个明显的事实：现在业界的晶圆厂比以前少多了；而制造厂商数量上的这种萎缩带来了自己的问题。

西格斯表示，随着芯片生存工艺的尺寸不断缩小，“我们发现了开发工艺的成本在一路攀升；现在开发一项新工艺的成本高达数十亿美元，这点大家都很清楚。购买新工艺所需的全套设备又要花掉数十亿美元，所以晶圆厂的数量减少了。”

从客户的角度来看，市场上只有那么几家实力强、效率高、技术先进的晶圆厂不是个问题――实际上，使得行业分散成为好事的规模经济效应使得数量少、更忙碌的晶圆厂反而成为好事。

四个客户造就不了市场

不过存在一个可能很麻烦的问题，这不是晶圆厂或其客户面临的问题，而是设备供应商面临的问题。西格斯说：“当你面对尺寸越来越小的工艺时，必须要解决的物理问题变得越来越难解决，下一代工艺所需的设备成本也越来越高。”

不过，这种成本的增加本身不是什么大不了的市场问题。“问题在于，为晶圆厂制造那些设备的供应链在收回投资回报方面有不小的难度。”

简而言之，晶圆厂设备市场在萎缩。“当业界的晶圆工艺从8英寸转向12英寸，如果你是晶圆设备制造商阿斯麦(ASML)或诸如此类的厂商，那么你有，一大批客户，可以把那些设备卖给他们。”

而现在，晶圆改用18英寸规格成了新的热点――这对于晶圆厂的规模经济效应来说是好事，但是对晶圆设备生产商来说不见得是好事。西格斯说：“到时大概只有四家厂商会制造那些尺寸的晶圆，所以如果你从事所有的研究开发工作，客户数量又只有四个，那这是个大问题。”

摩尔定律被废除

最后，将来不断缩小的硅片工艺尺寸面临一个问题：尺寸不可能永远缩小下去。正如西格斯指出，一个明显的限制因素就是，硅原子直径(0.27nm)本身――工艺尺寸缩小到比如14nm及以下后，我们所谈论的每个晶体管门电路的原子数量只有几十个。

但是在你计算晶体管门电路里面有多少硅原子之前，还要克服其他的众多挑战――也就是说，什么样的光刻技术能让你做到工艺尺寸远小于20nm?

在20nm这一层面，西格斯说：“问题在于，你需要引入两次图形曝光(doublepatterning)光刻技术。”在更大的工艺尺寸下，使用两套掩膜来完成一套掩膜可以完成的功能不但增加了掩膜成本，还减小了生产能力。

如果你想将生产能力保持在同样速度，就得购买 更多的设备――像阿斯麦这些厂商可能会更高兴，但是提高芯片成本对于包括发展中国家的群体来说却不是好事――发展中国家的人们渴望进入移动世界。

西格斯对于一项长期寻求的技术仍持有一点怀疑。他说：“如果是14nm及更小的尺寸，你其实需要EUV，”他指的是远紫外线光刻技术；这项技术长期以来被认为是有望解决工艺尺寸缩小问题的可行方案。EUV的希望来自于这个事实：它基于13，5nm波长的光――这比如今的可见光光刻技术所用的193nm波长的光要精确多了。

他说：“问题在于，EUV的生产难度其实非常大。你要利用极小的原子生成等离子体，然后用激光器来发射等离子体，有些光会散逸出来―但是光其实很弱，它被一些东西给吸收了。所以要生成足够多的等离子体来制造经济可行的芯片，难度非常大。”

而且EUV技术目前的生产速度很慢。西格斯说：“要让晶圆厂经济可行地运转，每小时就要制造出大约两三百个晶圆。如今的EUV机器每小时只能生产出大概五个。”

一些观察人士质疑EUV到底是不是一种切实可行的芯片光刻技术。西格斯说：“如果不是，那么老实说，我们接下来该怎么办心里没底。”

在他看来，现在是分散现象很严重的微处理器行业该效仿以前的苹果广告活动的时候了；用他的话来说，就是“想得不一样”(Think different)。

过去只是序幕。西格斯说：“缩小硅尺寸方面一向做得很好。我们在硅片的处理能力、性能和面积方面获得了巨大进展，但凡事都会有个头，而这会影响我们如何从事设计、如何运营公司，所以我给出的建议就是，为此作好准备。”

“这一幕的出现会比许多人认为的来得早。”芯片核心之间的协作

但那倒不是说，我们现在走的这条路进了死胡同。西格斯对于未来的设想与其同事、ARM技术副总裁杰姆，戴维斯(Tem Davies)描述的情况相一致。后者在今年6月AMD的Fusion峰会上表示，异构计算系统是下一大热门技术(Next Big Thing)。

简而言之，异构计算系统把工作负载分配给各种各样的专用计算引擎：处理器、图形处理器(GPU)、视频、加密和基带等各种计算引擎，那样各项子任务由最适合处理它们的专用硬件高效地完成。西格斯说：“我认为，异构多处理是未来的处理方式……各专用引擎由软件层安排在各集群中，软件层能了解底层硬件，并确保如果某个引擎不需要，就关掉，以节省电池电量。”

当然，要实现异构计算这个终极目标面临众多挑战――尤其是让所有的不同核心密切联系，并且最好数据一致。

为此，ARM即将推出的Cortex-A15计算核心(可能会在2013年年初露面)会引入高速缓存一致性互连技术，有望在多个处理器集群之间实现完全一致性。西格斯还预测，到2015年，基于ARM的系统级芯片(SoC)和其他系统中的一致性并不仅限于处理器，还可以做到处理器、图形处理器和专用引擎之间完全透明，了解“这部分数据在哪里?”

然而，完全一致性也带来了自己的一系列挑战，比如当远端的核心和引擎需要共享同一数据时，就会带来不需要的延迟，但是ARM、AMD和英特尔都在研究不同的一致性方案如何有助于或有碍于异构性。

自英特尔4004在4JD年前面市以来，微处理器业界已发生了翻天覆地的变化。总的来说，技术改进呈一路相对递增的态势，工艺尺寸、处理能力和微型化等方面的改进相当频繁――当然，这些是付出了大量的工作后获得的，但经常获得改进。

最近，“后PC时代”引发了热议。不过在西格斯看来，我们也许很快也会谈论“后摩尔定律时代”――到那时，不再以每平方毫米有多少数量的晶体管来衡量计算领域的进步，而是以不同的核心和引擎彼此联系的快速、智能和协作程度来衡量。

讲到电池技术领域与硅技术领域的迅猛发展相比发展迟缓时，西格斯说：“我们其实需要一种新电池。要是有谁能想出办法，把能量密度相当于巧克力条的电池接入到手机里面，那会相当好，因为一条吉百利牛奶巧克力所含的能量密度高出大约35倍，而这也许有助于解决我们的电池电量问题。”