硬件也能理财时代:“摩尔定律”是如何失效的

随着集成电路制程研发陷入瓶颈,关于“摩尔定律”是否失效的争论也愈演愈烈,不少业界人士在不同场合表达了对摩尔定律的未来的悲观态度。就在前两天,唱衰摩尔定律的业界大佬又多了一个:NVIDIA的老大黄仁勋,他在NVIDIA GTC大会演讲中表示“摩尔定律已经终结”。他认为“设计人员无法再创造出可以实现更高指令级并行性的CPU架构”、“晶体管数每年增长50%,但CPU的性能每年仅增长10%”。每当老黄举起他的左手时,往往就意味着硬件宅们迎接新的核弹时刻有趣的是,尽管外界质疑不断,英特尔的高管却在多个场合坚定不移的否认摩尔定律已经达到极限——最近一次则在9月19日,英特尔EVP兼制造、运营与销售集团总裁StacySmith在“英特尔精尖制造日”上表示:摩尔定律肯定不会失效。那么,这个被IT业界说了几十年的“金科玉律”到底是怎么回事?如果摩尔定律失效,我们买的CPU和GPU是不是就可以作为传家宝永世流传了?出于可读性考虑,本文会尽量以浅显的方式解释专业概念,不够准确之处请多包涵。“胡说!摩尔定律千秋万代,一桶浆糊!”摩尔定律怎么就“家喻户晓”了呢从某种程度上说,摩尔定律和英特尔公司有着千丝万缕的关系。这个关系还得追溯到上世纪60年代初期,那个时期,随着半导体技术的迅猛发展,集成电路开始展现出极具潜力的市场前景。这其中,集成电路(IC)的制作工艺(制程)又对成本有着明显的影响:制程越是先进,单位面积可容纳的晶体管越多,集成电路的性能就越先进,并且综合成本也会随之下降。问题是,制程工艺的改进涉及方方面面,需要投入的人力与资金太大了,时间周期又不短。这让很多企业面临两难的选择:刚研究出新制程,还没回本呢,竞争对手就推出了更先进的产品,为了不被淘汰,企业又得投入重金加快下一代技术的研发。随着这场“军备竞赛”愈发残酷,理智的声音开始出现:有没有一个相对科学的研发周期,在保证集成电路有稳定更新换代速度的同时,又能让企业有足够的盈利从而保持技术投入的动力呢?在这个背景下,1965年,时任仙童半导体公司工程师的戈登.摩尔研究了业内成功的半导体企业,再结合当时半导体产业的情况,提出了一个观点:每过一年,半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量就将加倍。——这就是后来被不少业界人士奉为圭臬的“摩尔定律”。英特尔创始人之一戈登•摩尔英特尔制程升级路线表几乎完美符合摩尔定律发展规律到了1968年,随着摩尔与合伙人创办英特尔之后,他慢慢察觉到这个观点的问题了:不当家不知柴米贵,一年的制程更新还是太快了一点,英特尔虽然拥有很强的技术实力,但要以这个周期对产品进行更新换代,无论从行业还是企业角度看,难度还是大了点。于是,在1975年,摩尔对摩尔定律进行了修正(IEEE国际电子组件大会),把每年增加一倍的观点改为每两年。至于为什么不是3年5年或者其他什么时间,笔者是这么认为的:到了1975年,英特尔已经是一家小有名气的半导体企业了,作为企业的联合创始人之一,摩尔当然要为自家企业的未来考虑。如果把周期定的太短,显然不利于公司利润的最大化(新工艺研究越来越耗时耗钱耗力),如果定的太长,公司盈利固然有保障,可这也给一些研发实力较差的竞争对手以喘息之机。所以,在综合考量行业发展各方面因素,并结合自家公司情况后,摩尔才将所谓的“摩尔定律”周期更改为2年。至于18个月的说法,则是后来英特尔的高管出于宣传以及发挥自身研发优势打压竞争对手的需要提出的,摩尔本人并没有承认。在2015年“摩尔定律”50周年之际,摩尔甚至在专访中明确表示,摩尔定律并非以严谨科学程序所定义的真正“定律”,那只是一种“观察与推测”。只不过,随着英特尔在微处理器市场上地位的巩固,出于商业上的考虑,以英特尔为首的半导体厂商开始有意无意的在日常宣传强化这个概念,从而潜移默化的将摩尔定律的影响力扩散到整个行业之中。确实在此前一段时期内,摩尔定律如同预言版影响着处理器发展历史只有英特尔在死扛?随着时间的推移,半导体产业开始出现一些微妙的变化。早期的芯片制造行业,英特尔虽然份额最大,但好歹还有德州仪器、Garrett AiResearch乃至后来AMD、IBM等一众厂商与其竞争。可随着时间的推移,一众厂商开始跟不上英特尔发展的脚步了,要么技术储备不行,要么是资金不足,要么是产能低下(空有设计方案,找不到代工厂生产),到这时候,众厂商才察觉出英特尔大推摩尔定律的“险恶用心”,奈何此时该定律早已“深入人心”,此时再想打破这条“规矩”已经太晚了。几十年的潜移默化,英特尔CPU性能早已深入人心,其对产品更新换代的“滴答模式”把竞争对手远远甩在后面如今,桌面级微处理器只剩AMD还在苦苦支撑,英特尔在最辉煌的时候一度占据超过80%的CPU市场,之所以没有把奄奄一息的AMD拍死,主要还是怕触犯《反垄断法》被拆分肢解。看着英特尔一家独揽PC CPU领域数百亿美元营业额+数十亿美元的利润,谁不眼红?但要进入这个市场,就得按这个行业老大定下的规矩走——每2年晶体管翻倍——这也太强人所难了。要知道,芯片从设计到生产需要的技术和资金绝不是一朝一夕就能达成的。就拿工艺来说,目前最新的芯片制作工艺是10纳米制程。这里的纳米指的是晶体管栅极的长度,考虑到专业名词的麻烦程度,你可以简单理解为长度越短,则晶体管速度越快——现阶段一个处理器要集成晶体管都是数以亿计,每个晶体管速度快那么一点,整个处理器性能的提升就很可观了(当然还有其他元器件因素,这里为方便理解暂且略过)。要在这么小的一片处理器上蚀刻上那么多的晶体管,每个晶体管又是纳米级别的,就需要一种叫光刻机的设备,而光刻机是目前芯片生产最关键也是技术含量最高的一个环节。要在硅晶体管上蚀刻电路,首先要在晶体上涂一种特殊的能与光产生反应的胶,然后再用光照的方式透过刻有电路的模版(电路路线部分镂空以便光能穿过),从而实现对晶体管的电路蚀刻。我们知道光在通过小孔时存在衍射和干涉现象,随着模板尺寸越来越小,这种衍射和干涉情况会越来越严重,一旦模板的尺寸小于光的波长时,这种干扰会严重影响电路蚀刻的准确性。特别是从32/28纳米节点迈进22/20纳米工艺节点时,按传统光刻技术,芯片制作的成本不但没有随着工艺进步而降低,反而大大提高。目前已经成熟的解决方案是更换蚀刻电路的光源,将其替换成波长更短的极紫外光刻(EUV光刻),从而解决衍射和干涉问题。然而,这项技术从提出一直到最终实现,用了近20年的时间,砸了20年的钱才实现了技术上的突破,成本之高可见一斑。然而,空有构架,工艺进步速度越来越慢,从14纳米工艺开始,摩尔定律基本失效了顺便一提,早在极紫外光刻技术研发阶段,英特尔就入股了这家公司(荷兰ASML),不仅拥有一定话语权,还获得了高端光刻机的优先购买权。也就是说,通过控制了桌面CPU产业链的上下游,英特尔在行业内建立了高高的准入壁垒。所以,只要是眼红英特尔,有心想分一杯羹的半导体厂商,总会千方百计的削弱英特尔的产业优势。而“摩尔定律”就是一个很好的突破口,只有打破行业老大定下的“规矩”才有切入市场的机会嘛。自然,作为行业老大,英特尔怎么可能不维护自己定下的“规矩”呢?这就是英特尔高管StacySmith强调摩尔定律不会失效的原因。顺便一提,在2015年英特尔被迫放弃了持续了8年之久的滴答模式(tick tock),即便是在那么困难的时候,英特尔的CEO也依然对摩尔定律是否失效含糊其词。那么,摩尔定律为什么逃不过失效的命运呢?摩尔定律必将终结?摩尔定律在50多年的发展过程中不止一次遭遇质疑,但在以英特尔为首的厂商“帮助”下最终都化险为夷。比如在处理器频率提升不上去后,芯片的宣传口号就从频率转向核心数(双核四核八核);等到核心数也上不去了,就开始吹晶体管数量;连晶体管数量的增长也陷入瓶颈时,干脆只谈工艺制程。如果我们抛开这些花俏的宣传口号,分析摩尔定律每次遭遇的危机,你会发现基本与两个因素有关:工艺、发热量。工艺问题刚在上文提到了,随着制程的进步,在晶体管上蚀刻电路已经越来越难了。而且光有工艺还不行,芯片厂商还得设计出对应的构架以发挥出先进工艺的效能,这也不是一朝一夕就能达成的事情——AMD与英特尔在竞争中,就因为芯片构架设计落后,导致在多核时代竞争一败涂地,被吊打了近10年,直到今年推出ryzen系列才翻身。在宣传ryzen系列CPU时,还有很多人以为这又是AMD一次PPT“虚假”宣传,哪知道是真的发热量问题同样重要,处理器的制程越先进,所能容纳的晶体管就越多,而更多的晶体管在带来更强性能的同时,也会带来更大的功耗。这时候,CPU厂商一般采取等比降压方式来解决处理器的功耗问题,毕竟晶体管数量提升带来的性能提高足以弥补降压的损失。即便如此,随着工艺进一步提升,降压也越来越困难(因为构架问题,电压再低就连处理器都点不亮了)。比如目前的I7 7700K,其最低电压大概就在0.8V(1.2GHz)左右,最高一般也就1.2V(接近5GHz),就这样CPU功率还达到91W,如果再加电压到3V4V,性能提升的同时也意味着几厘米大小的芯片将有超过400W的恐怖功率(当然,这是限制处理器电路翻转的前提下,全力运行那就是数以万瓦计,在这里不赘述),且不论这温度会不会把主板烧坏,单说芯片封装,芯片厂商得用多贵的耐高温材料才能把芯片给包起来?得设计多贵的散热系统才能保证电脑不会烧掉?小小一块芯片,里面集成晶体管数以亿计,产能功耗可想而知最大的问题还在于材料的物理极限。随着芯片制造工艺进步到10纳米,甚至7纳米,芯片的工艺将不可避免的受微观物理规律的影响(量子力学)——比如隧穿效应的频繁出现(你可以把隧穿效应比作一面阻挡电子流的墙,可随着制程升级,这面墙就挡不住电子了,乱窜的电子多了,就会产生漏电现象,漏电多了处理器会发热,等于又浪费了功耗)。此外,硅原子的直径为5纳米,晶体管的栅长再怎么缩短也不可能小于5纳米,所以,以硅作为半导体终归有一个极限,过去的技术离这个极限还远,大家尚可以“忽视”它,而现在随着芯片工艺逼近这个极限,这个问题越来越无法忽视。更让英特尔措手不及的,尽管在桌面处理器市场它罕逢敌手,但手机芯片市场的异军突起却加快了摩尔定律终结的速度。崽卖爷田心不疼英特尔当然知道摩尔定律存在的极限,可既然当上芯片产业的大当家几十年,英特尔还是有信心与底气延续摩尔定律“千秋万代”的。就拿最近几年英特尔推出的CPU来说,每一代性能就跟“挤牙膏”一样,提升的幅度微乎其微。为啥?不就是桌面CPU市场唯一竞争对手AMD不给力,所以新技术新工艺得省着点放出,从而延缓摩尔定律到头的时间嘛。等到AMD推出ryzen系列威胁到英特尔了,后者二话不说直接抛出“I9”系列,其性能不多不少,正好压竞争对手一头。但是其他芯片厂商哪里会让英特尔如意呢?比如AMD,在与英特尔CPU竞争处于下风后,借着收购显卡厂商ATI的东风开始CPU与显卡的融合之路,试图避开英特尔的优势项目,进行差异化竞争,只不过最后因为集成芯片功耗问题进展缓慢而作罢。眼看CPU性能上打不过英特尔了,AMD提出了“APU”的概念,简单来说就是“显卡里面我CPU功能最强,CPU里面我显卡最强劲”显卡厂商也没闲着,NVIDIA在1999年推出的GeForce 256显卡,第一次将GPU(图形处理芯片)作用提升到了新高度,抢过了原本由CPU计算的任务,从而奠定了显卡/CPU双雄的格局。这还不算,随着GPU集成晶体管数量的增加,NVIDIA又推出了PhysX技术,把CPU中物理运算部分(尤其是游戏)给抢过来了一部分。时至今日,在特定运算领域(比如比特币挖矿),GPU的运算能力已经比CPU更胜一筹(当然两者定位不同)。更让英特尔意想不到的是,这头自己还在苦心维护桌面处理器霸主地位,那一头移动处理器市场异军突起。相比“传统”处理器,手机芯片由于使用的构架完全不同,不仅功耗更低(最低5W),而且性能提升的空间也更大。手机毕竟不同于电脑,尺寸的限制决定了绝大多数功能都要集成到手机芯片中,除了CPU外还有GPU、基带、触摸屏控制器芯片、电源管理等一大堆东西,再算上功耗啥的,可宣传的噱头实在太多,CPU的性能只不过是其中一环。再加上手机芯片竞争激烈,包括三星、高通、苹果、联发科、华为之类的厂商彼此竞争,除了三星之外,其他厂商只有设计芯片而无生产芯片的能力,在无法控制产业链上下游的情况下,各家的竞争就更为惨烈了:手机芯片不但以每年一代的速度迅速更新,不同的厂商还拼命的大打价格战,什么摩尔定律,什么行业规矩,早被抛之脑后了。看看最新一代高通处理器宣传口号,动不动就是50%“性能”提升,手机芯片就是以这样的速度彼此竞争,没用几年就走完了桌面处理器几十年的路……这下英特尔就尴尬了,原本自己基本控制了芯片从设计到生产环节,尤其是芯片生产上,第三方代工厂实力有限体量有限,所以产品更新换代的节奏完全可以由自己掌控(竞争对手AMD威胁可控)。哪曾想,随着手机芯片需求的快速增长,给了台积电、三星崛起的机会,作为代工厂,三星(给苹果代工)、台积电可不管什么行业规矩,有钱赚就干,在客观上又推动了芯片工艺的进步的同时,无疑加速了摩尔定律的死亡。这些“不守规矩”的对手完全打乱了英特尔的步伐,尽管英特尔也试图切入手机芯片市场,凭借自己强大的综合实力“整合”行业,树立规矩,奈何竞争太激烈,价格战打的太疯狂,弄得英特尔不得不在巨亏几年后忍痛退出。将来我们能看到保值10年的CPU吗?首先我们要明确一点,不管一众厂商如何唱衰摩尔定律,有一点是不会变的:没有人愿意看到一个波澜不惊,死水一潭的半导体产业。毕竟产品的更新换代的周期决定了这个行业的生命力,试想,如果你在5年前购买的CPU/GPU放到现在性能依然不过时,你还会有动力去更新硬件吗?因此,为了刺激消费,确保芯片更新换代的周期,不管是软件还是硬件厂商都会默契的创造新功能新需求,从而维持整个产业发展的活力。比如显卡,但凡有新显卡推出,就一定有相应的游戏填补硬件提升的额外性能。反过来,一些游戏也会通过一些超前的设计来刺激用户(玩家)购买新硬件。典型如“显卡危机”(《孤岛危机》的“昵称”)在刚推出那会儿,市面上的显卡根本带不动游戏的最高画质,这款游戏刷新了玩家对游戏画面逼真度的认知,带动了新一轮的游戏画质的进化。《孤岛危机3》在GEFORCE GTX TITAN下才跑出50帧…然而,摆在我们面前的问题是,芯片工艺终归还会到达极限,到那时候,摩尔定律该何去何从?别急,各厂商早就开始寻找后路了,目前主要有三条道路。第一条是继续为摩尔定律“续命”,比如使用更牛B的晶体管和其他元器件,极紫外光刻技术就是这条道路上的一项成果;第二条路是另辟蹊径,为处理器集成更多的功能,比如可以检测身体状况的医疗芯片,各种物联网的传感器之类,通过整合更多的功能来吸引消费者购买;第三条路子干脆抛开硅基半导体,研发新的材料,比如量子计算机之类,从而彻底突破材料上的束缚。像英特尔,早就开始了新技术的布局,每年百亿美元的投入基本用在第一条和第三条道路上,而像NVIDIA这样的厂商把宝押在第二条路上。想想20年前吧,谁能想到汇集打电话看视频拍照玩游戏等功能于一体的设备,不过区区巴掌大小呢?所以,诸位不必在意摩尔定律失效问题,没了摩尔定律也会有比尔定律,在可以预见的未来,商人们总会创造出符合消费者需要的电子产品。