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大咖 | UCLA教授Jason Woo：摩尔定律不是物理定律，是经济学的预测

百家作者：大数据文摘 2018-11-19 15:57:27

大数据文摘出品

11月17日，2018年未来科学大奖颁奖典礼暨F²科学峰会在北京开幕。

在“摩尔定律的终结”研讨会上，斯坦福大学博士，加州大学洛杉矶分校教授兼副主任、CMOS研究实验室负责人Jason C. S. Woo指出，摩尔定律不是物理定律，是具有经济学基础的一个预测。随着摩尔定律的放缓乃至终结，计算机领域正在寻找新的创新路径，基于现有技术从架构创新，算法提升等方式推动计算性能的提升。

以下是演讲内容，enjoy~~

大概始于40年代的时候，工厂里有双极的晶体管，可以说是单晶体管。后来，有一个小组生产出了立体晶体管，推动了整个行业的发展，后来又发展到了IC基础性的行业。

90年代初，有了一些改进，变得更加的集成了，因为可以对十万个晶体管进行部署。现在这种变化还在继续，例如，一开始发明的是点接触晶体管，而今天在英特尔上有近万亿晶体管可以部署。60年的时间，技术改进非常大。

摩尔定律为什么可以这样进行演变？

Moore发现了摩尔定律，他通过简单的观察之后写了一篇论文，发表在电子学期刊上，他提出元器件数量在18—24个月之内会实现翻倍。

但同样重要的是，尽管元器件的数量会不断增加，但组建成本的复杂性，以每年大约两倍的速度增长，这是一个持续的过程，关键在于没有科学的证据，因为这只是一种观察。

因此需要知道它是怎么演变的，为什么最终能够很好的产生这样的效果？工程师怎么创新能一直让摩尔定律发挥作用？

一开始，Moore他去观察的时候，半导体IAC使用的是一些硅，后来发生了很多的变化。原件上数量增加，功率的密度的增加，使得元件管理非常重要，因此这成为了摩尔定律发挥作用的瓶颈。

IBM，在90年代初的时候进行了很多的研究，在那个时候，整个技术是非常复杂和精密的。当时人们都希望创造奇迹，怎么来改变呢？

CMOS，作为一个工程科学家要解决这样的情况，就需要寻找耗电更低的技术，CMOS是非常有趣的特性。因为CMOS非常好的减少它的功率，同时可以减少它的能耗。

1975年的一篇论文提出，如果是在相同的硅面上，可以放更多叠层在底层上，就需要更加关注热量的管理。当然，很多人有其他的考虑，包括兼容性和其他的因素。

相同的研究组又发表了新的论文，有三种不同的收缩比，这是一开始的收缩比，基本有通用的收缩指数，还有是跟它的功能面成正比的。其中一个非常有意思，就在它的线速，在底层上放了这么多的元件，它的结果是摩尔定律并没有起作用。

当有这么多功能和器件的时候，因为收缩了，所以必须将它进行约束，有不同的约束点，这种约束也是很难做到的，怎么做到这一点？需要发明一种新的方式，将不同的器件联系在一起。如果再看一下IC，2%的晶体管实际是用无线的方式进行联系，后来就成为了最基本的限制。

它的规模效应，每两年的缩小0.7倍。一开始是正常的尺寸，基本上是符合这个趋势的，而且是精准的符合这个趋势，一直会持续到2020年。但是到2010年速度就开始放缓了，这是为什么？就是摩尔定律不是定律，是基于经济性或者是因为它的预测性。

当一个公司有效地整合资金和资源的时候，他们就会把它的竞争对手甩在后面，加速尺寸的收缩，例如英特尔。因此在2000年早期的时候，有很多做IC的，但很多人赶不上英特尔的速度。因此，现在只有3个或者4个最主要的技术型公司。

摩尔定律不是物理定律，是具有经济学基础的一个定律。例如在英特尔，CPU一直演进，通过不同的技术节点进行更新，它同时也是符合规律的。也就是说，它的器件的数量成指数级增长，并且会一直持续。到2010年的时候，速度就变慢了，至少功能放大的速度在放缓。

到底什么在推动这些器件数量的增加呢？

在全球，半导体或者消费者行业对于晶体管产品的需求是非常大的，从销售量来看一直是攀升。它是以指数级的数量在增长。行业中的高营收最终受利于公司的研发，同时有更多的资金投入在研发中，这也对应刚才说的摩尔定律是有经济学理论基础的，不仅仅是纯技术或者是纯技术驱动的定律。

2016年，全球半导体的销售达到3350亿美元，在中国都希望自给自足，尽管中国是非常大的电子消费市场，但是这种消费还是由欧洲和美国做主导，在2000做主导的是日本，但是现在日本情况就不一样了。现在，亚太地区主要是由韩国引领的。

毫无疑问，这种器件的数量是根据摩尔定律的预测精准实现，但是还有制造厂建立了集成电路的生产线，而且呈指数级增长。尽管半导体行业赚了很多钱，但是初期的投资额也是相当可观的，因此门槛相当高，不是每个人都有足够的资金投入到半导体行业中，它需要的是一种承诺，也需要很多的决心和决定，才能进入到半导体行业。因为半导体行业的投资总量是极其庞大的。

在未来作为科学家或者工程师要探讨的话题是，怎么更加规模化？因为收缩很难做到，有物理空间的限制，越小就越来越难控制。

如何在这么小的表面上去控制这么多的器件，这么多的电线怎么让它的物理尺寸变的更小？一些细小的地方无法进行预测，但是如何让这种细节做的更好？其实难度是很大的，包括器件的性能会限制整个设备的性能。有很多的技术也在不断的演进中，也提出了在过去20年中希望能够去解决刚才所提到的困难，包括更好的创新改进的架构。

由于一些基本的限制，晶体管超过90纳米尺度是不太可能的，这个理论是非常简单的。包括摩尔定律和其他的预测，都是基于历史趋势，现在的理解完全会忽视一个重要的因素，就是人类的工程和创新的能力，考虑到这一点，有很多物理和化学上的限定，在工程中有这么多创新的领域，一定能帮助找到一种方式，推进整个技术迈向前方，并且符合经济的要求。

在使用不同的原材料的情况下，除了追求尺寸的极限也会寻找其他的极限，包括晶体管设备的速度也在提升，同时也可以根据收缩比进行相同的规模化，所以在实际的速度中要体现出来，因为真正的限制对于的电路来讲，不是提高速度，而是智慧的提供它的使用。

回顾2010年，每一代的CPU总是会有它的速度，除此之外，知道哪怕一个晶体管提供的高速性能IC都不能提供，因为电线是做不到这一点的。基本上来讲，晶体管仅仅是在一个复杂的电路板上有功能。

从设备性能的限制，进入到连接的性能。非常典型的嵌入式的处理器，它的能耗，未来的发展就跟速度一样，大部分的耗能是在电线。

很多的设备也在推动其发展，还有低能耗是要在互联互通的系统中实现。这也是非常重要的一点，为什么技术会通过一些非常复杂的形态来进入和改善？可以看到，它不是ITW的晶体管，也没办法提供更多的动力。需要非常多的创新，这一般是由英特尔和IBM所带领的。

在下一代的系统架构和超级架构中进行创新，怎么才能具有创新性之举！英特尔不是独一无二的，每个公司都了解这个问题，大家都是公平的，基于实际的模拟仿真。

遵循了同样的情况，整个目标是让晶体管更加高效，负面影响最小。现在要考虑的是非常复杂的晶体管，FinFETs可以产生非常好的电流，希望可以满足新的需求。

英特尔十微米的FinFETs有非常好的连接，电量很高，能够让晶体管密集的组合在一起。这不是最关键的，最关键的在于什么呢？因为这些配置和平台，可以获得非常好的运行能力和效率，从而应对功率方面的缺陷和挑战。在这个基础上进行持续的创新，甚至实现一些指数级的增长。

FinFETs看起来非常的美妙，但是还有很多不尽人意的地方，在很多性能方面还不是非常好。自2000年以来，就一直在进行尺寸的缩小，在这方面为了能够让功能得到发挥，也在考虑很多方面，像双重收缩，还有一些新的技术，许多新的实际的技术，如果今天看一下的话，会看到技术带来很多的功能，和以前所拥有的功能是不一样的，现在变得非常的复杂，需要进行很多的计算，需要做出控制，而不是简单的接触。

改进正在减缓，从2015年以来就看到新的改进在放缓，百度、谷歌、因特尔都在进行这方面的研究，但是他们研究的计划和时间表不断的往回缩，进一步发展的速度在放缓。

摩尔定律主要是关于经济学方面的情况；它不可能完全随着性能的变化不断的增加数量，如果要想获得此数据的发展，就应该进行更多的研究方面的投资，在1996年，CPU进行发明之后，大概是每年52%的增长。后来到2010年的时候出现了比例的下降。应该有一个持续的驱动力来推动增长，不光是晶体管，还需要一些新的生态。每个单位的成本也在上升，对高级的节点来说。这个成本的增加非常快。

另一方面，我想谈到的是收缩的问题，在这个问题之外有一个功率的趋势问题。90年代的时候就引起了各方面的注意，如果大家看英特尔芯片的功率密度，就会看到相应的趋势。现在是需要处理热的问题；当然之前也有这样的问题，现在有双晶体管工艺趋势的问题，已经非常棘手了。

低功率的晶体管也非常重要，英特尔预测所有的选项都是开放的，正如他们说的，如果大家还不了解的话，不一定是坏的事情。有一些情况看起来并不好，但是意味着有更多的选项进行研究，需要创新。