戈登?摩爾剛剛?cè)ナ溃瑯I(yè)界關(guān)于摩爾定律未來如何演進的分析再次多了起來。當前主流觀點集中在“延續(xù)摩爾More Moore”、“超越摩爾More than Moore”與擴充摩爾(Beyond Moore) 三個分支路徑之上,即通過芯片的架構(gòu)創(chuàng)新、異構(gòu)集成或者新材料的引用,實現(xiàn)更高的芯片性能與更低的成本。
然而,值得注意的是,性能與成本并非集成電路技術(shù)發(fā)展的全部,功耗的降低同樣極其重要。實際上,數(shù)十年以來指導芯片工藝技術(shù)演進的,除摩爾定律之外,還有一條“登納德縮放比例定律”(Dennard Scaling),由IBM托馬斯?沃森研究中心科學家羅伯特?登納德于1974年提出。該定律指出,每平方毫米硅的功耗幾乎是恒定的,隨著晶體管密度的增加,每個晶體管的功耗會下降。根據(jù)登納德縮放比例定律,隨著芯片尺寸的縮小,所需的電壓和電流會下降,芯片產(chǎn)生的功耗也會降低。
不過,登納德定律從2007年就開始顯著放緩,到2012年左右已接近失效。因為隨著工藝線寬越來越接近物理極限,高制程的芯片,意味著晶體管中關(guān)鍵部件柵極的長度越來越小,越小的晶體管會使得晶體管漏電現(xiàn)象越嚴重,使得芯片在往更小工藝制作時,功耗不減反增,同時帶來嚴重的散熱問題。
摩爾定律減速疊加登納德定律失效,使得芯片制程提升給芯片性能、節(jié)能帶來的收益持續(xù)降低。芯片能耗的提高又給進入數(shù)字時代的人們巨大挑戰(zhàn)。比如人們?nèi)粘9ぷ髦薪?jīng)常用的個人電腦,處理器已經(jīng)占到電腦整機耗能的30%以上。手機作為芯片使用大戶,歷來對先進工藝的需求都走在行業(yè)前沿,但隨著芯片功耗的代際收益逐漸減少,未來想通過工藝提升實現(xiàn)功耗大幅下降已經(jīng)非常困難。
另一個令人警醒的案例來自于數(shù)據(jù)中心。據(jù)報道,在愛爾蘭,70座數(shù)據(jù)中心就消耗了該國14%的能源,可見處理器運算當中能源消耗量巨大。人們目前正在建設位于海底,使用海水冷卻的數(shù)據(jù)中心。隨著ChatGPT熱潮的持續(xù),未來AI運行的算力需求將更加強烈,也將產(chǎn)生更加巨大的能源消耗,以至有學者預測2030年AI會消耗全球生產(chǎn)電力的30%~50%,用于計算和冷卻。
正因如此,降低處理器運行中的能耗成為集成電路行業(yè)的主攻方向之一。多年之前,記者采訪美國加州大學伯克利分校教授、FinFET技術(shù)發(fā)明人胡正明時,其便預測:“集成電路的發(fā)展路徑并不一定非要把線寬越做越小,現(xiàn)在存儲器已經(jīng)朝三維方向發(fā)展了。當然我們希望把它做得更小,可是我們也可以采取其他方法推進集成電路技術(shù)的發(fā)展,比如減少芯片的能耗。這個方向芯片還有超過1000倍的能耗可以降低?!睂W術(shù)界很早已經(jīng)預見到了問題所在,也有越來越多的公司與機構(gòu)著手研究芯片節(jié)能的問題。
可是在失去工藝微縮降耗這一利器之后,人們該如何實現(xiàn)芯片的降耗節(jié)能呢?記者采訪了多位專家,總結(jié)起來就是需要“摳細節(jié)”了——從架構(gòu)、芯片設計、軟件、功能硬件、電源管理等不同層面開展工作。這是一個系統(tǒng)性的工作。
英特爾研究院副總裁、英特爾中國研究院院長宋繼強表示:“首先,我們得有一個能夠監(jiān)測處理器各項運行指標的方案。對處理器設計來講,是要增加更多可以遙測的測試點,通過系統(tǒng)工具更清楚地查看處理器的工作狀況,比如哪些運行比較飽滿,哪些是在空轉(zhuǎn),數(shù)據(jù)阻塞多發(fā)生在什么地方。要做到對處理器的運行心中有數(shù)?!薄霸谔幚砥髟O計的時候,可以更好的做好多核的協(xié)同,核與核之間的調(diào)度,包括多核之間做內(nèi)存、緩存同步時,也有許多降低能耗的空間。因為除了計算之外,芯片很大部分能耗是發(fā)生在數(shù)據(jù)間的相互交換之上。如果CPU和GPU之間能夠用一個比較好的協(xié)議通道去溝通,能夠降低許多能耗。
除此之外,在單芯片之上的平臺間多芯片協(xié)同,系統(tǒng)層的節(jié)能設計,都有大量可資挖掘的要素。ADI中國區(qū)銷售副總裁趙傳禹就指出,通過創(chuàng)新的電源管理技術(shù),相比傳統(tǒng)方式,可以幫客戶實現(xiàn)更好的節(jié)能方案。再比如人們正在開發(fā)類腦計算技術(shù),通過設備仿照生物大腦的方式來傳遞及處理信息,可以實現(xiàn)超低能量的消耗。
胡正明曾經(jīng)指出:“線寬的微縮總有一個極限,到了某種程度,就沒有經(jīng)濟效應驅(qū)動人們把這條路徑繼續(xù)走下去。但是我們并不一定非要一條路走到黑,我們也可以轉(zhuǎn)換一個思路,同樣可能實現(xiàn)我們想要達到的目的。”摩爾定律的演進正是如此,工藝線寬并非人們的終極追求,轉(zhuǎn)換一個思路同樣也可推進集成電路技術(shù)的發(fā)展。
- QQ:61149512