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孙永杰的博客

 
 
 

日志

 
 

摩尔定律延续:成本降低和应用是关键  

2007-12-18 11:36:40|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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                                                           摩尔定律的精髓—成本的降低

 

今年是晶体管诞生60周年,在晶体管诞生的18年之后的1965年,摩尔定律诞生。当时,戈登•摩尔(Gordon Moore)预测,未来一个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍(10年后修正为每两年),摩尔定律在Electronics Magazine杂志一篇文章中公布。由此可以看出,我们现在谈及的摩尔定律并不是最早从Fairchild 半导体公司提出的定律,而是已经经过了修正和改写。

 

摩尔定律当初的源文档大致内容如下:随着电路上电气元件数量的增加,单位成本逐渐下降。到1975年,金融界将看到集成了65000个元件的硅芯片。

 

在这里,“金融界”是摩尔的主要观点背景,他感兴趣的是集成电路相对于传统电路的可观的成本优势。虽然他对此仍然是有所保留:“芯片上的每个元件的成本将随着元件数量的增加而下降,但是这也会引起成品率的下降。”因此,摩尔定律的本质是:单个芯片上集成大量的元件能够使每个元件的成本降到最低(今天我们所说的元件一般就是指晶体管)也就是说,是关于如何使电路上的元件尽可能地多从而能达到最小成本。在这里笔者认为所谓的成本一是每个元件的成本,其二就是到最终用户手中产品的购买成本。当然这二者是因果关系,即元件成本的降低会导致到最终用户手中产品购买成本的降低。

 

所以,当初摩尔口中的摩尔定律应该是这样:开发的成本不断下降,从而能够每年增长1到2个百分点,这种增长的趋势会在短期内持续下去。从长期来看,其增长率仍有不确定的因素,但是我们仍然有理由相信,这种趋势会在近10年内保持发展。这意味着到1975年,为了达到最小成本,每个集成电路上的元件数量将达到65000。我相信这种规模的电路将能造在一个华夫饼干上。”(在那个时候,一个硅华夫饼干的直径大约是一英寸)

 

因此,从摩尔的原文来看,他本人并不想做什么长远的预测,他的原话只是涉及到了未来10年,而且还有“有一些不确定”,“基本上持续”等有所保留的话。

 

从上述摩尔定律产生的背景和其最终的初衷可以看出,摩尔定律的精髓和本质并不在于未来一个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍,而是这种翻倍所带来的成本上的降低或者是性能上的提升。换句话说,就是如果人类的科技能够在提高晶体管集成度的同时,又能达到降低成本或提升性能的目的,摩尔定律才能算是真正的延续。这也就不难解释,为何摩尔定律非但没有在10年后的1975年终止,而且还延续到了今天。因为在这一发展过程中,不单是晶体管的集成度在提高,而是由此带来的成本上的降低也在延续。不过,由于当时技术条件和认知能力的限制,摩尔当初忽略了随着晶体管集成度的不断提高所带来的漏电和热噪(集成电路元件散发出的热量)而导致性能下降和能耗增加的问题,这恐怕就是当初摩尔所称的不确定因素,于是就产生了摩尔定律产生10年后被修正和今天有关摩尔定律面临挑战及有可能终结的争论。

 

                                                           成本降低 摩尔定律延续

 

其实,摩尔定律发展到今天,已经显示出其继续延续的困境。笔者认为技术上的瓶颈还在其次,重要的是,新技术的采用能否延续成本的降低,如果是新技术的采用未能达到降低成本的目的,这就违背的摩尔定律的初衷。要不是英特尔在今年公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质和金属栅极而将制造工艺步进到45纳米的话,摩尔定律很可能在今年就已经终止了。对此,英特尔创始人戈登•摩尔就high-k和金属栅的组合表示,这是自上世纪60年代后半叶出现的多晶硅栅以来,40年来的首次重大变革。

 

与65纳米技术相比,45纳米制造工艺可以将集成度提升2倍左右,并进一步缩小芯片尺寸或增加晶体管数量。这意味着在300毫米圆片上可以制造出更多的管芯,从而降低成本。在节能方面,45纳米工艺可降低30%的晶体管切换电源功耗,源漏-极漏电率降低到1/5, 栅氧化层漏电率降低到1/10,并大幅度提高晶体管开关速度。从英特尔45纳米的突破看出,之所以称其延续了摩尔定律,除了high-k和金属栅的组合创新外,更关键的是,它在保持了成本持续降低的同时,还保证了性能的提升和功耗的降低。这也是为何其他的一些半导体厂商也已经掌握了high-k和金属栅的原理和技术,但却不能正式发布的主要原因。

 

此外,按照摩尔定律,随着晶体管集成度的提高,也会引起成品率的下降,这在45纳米的时代仍旧适用,即采用45纳米制造工艺的处理器的成品率肯定会低于上代的采用65纳米制造工艺的成品率,就这点,笔者从业内半导体专家的采访中得到了证实,即使这样,即以最低的成品率50%计算的话(实际情况恐怕要高),按照英特尔目前的量产规模,英特尔依旧可以在盈利的前提下,降低成本。对于英特尔是这样,但对于未能达到量产规模的厂商而言,采用45纳米有可能是个灾难。其实有的厂商在从90纳米向65纳米过渡的过程中,成本的控制问题就已经显现了出来。

 

当英特尔首先在45纳米过“坎”而将摩尔定律延续的时候,32纳米制造工艺已经向我们走来,相比而言它体积更小,性能更高。但同时,要实现32纳米制造工艺必须解决各个方面的诸多技术难题。据研究机构VLSI Research预测,要实现32纳米器件的批量生产,需要投入的研发与生产成本约为80亿至130亿美元。在这里,除了技术上的原因外,成本问题再次成为一个“坎”。厂商能否在如此大的投入的前提下,保证处理器成本的降低将是重中之重。因为唯有成本的持续降低,最终的用户才能有采用的动力。32纳米如此,今后的22纳米、15纳米,甚至是所谓的9纳米也是如此。也许在未来的某个制造工艺阶段,由于成本不再因为制造工艺的改进而降低,或者说厂商已经不能很好地平衡制造工艺和成本之间的关系,制造工艺的进程将可能出现停滞。那么摩尔定律还会延续吗?笔者认为,答案是肯定的,因为处理器架构的创新依旧可以在制造工艺不变的前提下,提升处理器的能效和降低成本。这也就是为何英特尔提出了Tick-Tock的处理器开发和发展模式。

 

所谓的Tick就是每逢奇数年采用新的制造工艺;Tock是每逢偶数年采用新的微架构。例如,在2005年,英特尔发布了采用65纳米制造工艺的奔腾D和Xeon处理器;2006年在65纳米制造工艺不变的情况下,英特尔发布了新的酷睿2微架构的处理器;2007年发布采用45纳米制造工艺的Penryn处理器;2008年将在45纳米制造工艺不变的前提下,发布采用新的微架构的Nehalem处理器……以此类推,这种模式在制造工艺和架构的交替进行,保证了创新的持续性,而以往的结果证明,这种Tick-Tock模式在保证能效提升的同时,成本也在不断地降低。到目前为止,没有任何的厂商能够像英特尔这样具有如此完整的延续摩尔定律的发展策略和模式。也许有人会说摩尔定律终究会遇到技术发展的物理极限而终结。但笔者认为,这种担心是没有必要的,其实在摩尔定律发展的过程中,曾数次出现摩尔定律即将终结的论调,但直到今天,摩尔定律依旧在延续。此外,由于英特尔的Tick-Tock模式,已经可以使摩尔定律延长至少10年,那么在这10年间,新的材料的出现将是必然,还是那句话,关键是能否保证能效的提升和成本的持续降低,因为这才是摩尔定律的根本之所在。

 

                                                              摩尔定律延续 应用是根本

 

从90纳米到45纳米;从单核到四核,甚至是未来的多核,如果说英特尔的Tick-Tock模式可以保证摩尔定律延续的话,那么延续的目的是什么?正像Nokia公司所言:科技以人为本。当然是为了更好地应用,让用户得到更好的应用体验。如果用户不能从中得到更好应用体验的话,摩尔定律延续的意义将大打折扣,而厂商也会缺乏相应的发展动力。诚然,要想让用户得到更好的应用体验,应用软件的支持必不可少。对此,英特尔除了在利用Tick-Tock模式延续摩尔定律的同时,更从应用的角度来让摩尔定律的延续惠及于最终的用户。

 

英特尔软件和解决方案事业部(SSG)就充当了这样一个角色。它把英特尔和全球的软件产业连接起来,为应用程序和操作系统开发者、OEM厂商、渠道伙伴以及系统集成商提供帮助,使他们在英特尔平台上获得竞争差异性和提供卓著的客户价值。根据笔者的了解,仅仅在中国,英特尔就已经协助软件厂商开发新一代的应用来适应硬件平台的迅速发展,提升软件产品的性能和功能,激发创新并为最终用户带来至酷的用户体验。这之中包括了基于双核和四核处理器的远程视频通信系统,视频媒体格式转换系统,最新的游戏,照片级真实场景渲染系统,以及基于主动管理技术的平台管理软件。这些应用利用了英特尔平台的最新技术,将应用体验带到了一个全新的高度。

 

此外,英特尔对ISV 的支持不仅仅是技术上的。为了让更多的ISV 获得英特尔更全面的支持,英特尔软件与解决方案事业部倾力打造了英特尔软件合作伙伴计划并于2006年10月23日在全球范围内启动。这是一项面向ISV的会员制计划,向所有针对英特尔技术(例如,广受好评的英特尔酷睿2 双核处理器、英特尔至强处理器和英特尔安腾处理器)开发商业产品或服务的软件公司开放。英特尔软件合作伙伴计划提供覆盖了规划、技术、市场推广和销售各环节的一整套资源,将在软件开发和市场推广的关键阶段,为会员提供包括业务扩展、发掘新客户、提供最新技术和市场推广等在内的全方位支持。

 

由上面的论述可以看出,在晶体管诞生60周年的今天,摩尔定律依旧在前行的原因。尽管未来的挑战在所难免,但在创新导致成本不断下降和能效不断提高及应用的驱动下,摩尔定律仍会延续。

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