那么,IBM新推出的2芯片是否一扫摩尔定律近年的颓势,意味着未来半导体行业仍然有能力保持此前指数级别的高速发展呢?——回答这个问题,首先需要回到IBM此次更新的技术实质:2纳米所指向的具体尺寸并非物理层面上半导体管的沟道长度,而是芯片上排列晶体管的节点密度。硅的晶格常数是543pm,半导体管的沟道长度将很难在保持安全和准确的前提下取得突破。IBM本次取得的技术突破并非从根本上减少半导体管的长度,而主要来自其重新设计的GAA(环绕式栅极)架构:在单个晶体管尺寸接近的前提下,通过新设计增大晶体管节点的密度,以此达到提高芯片性能的最终效果。
虽然本次IBM利用新设计成功研发出2纳米芯片,但该款芯片尚处实验室研发阶段,对成本的考虑较少,距离量产仍存在较长的距离。如果未来芯片行业试图延续摩尔定律,需要采取IBM外的新方式——基本思路是将硬件与软件更新相结合。
在硬件上,未来的芯片或许会采用新材料或新设计。新材料指芯片不再将硅作为唯一的选择,而是开发一种运行速度不变,但大大减少发热量的新材料(业界称之为“毫伏开关”),目前候选的材料包括2D类石墨烯复合物、自旋电子材料等。新材料的应用有望彻底改变芯片的核心逻辑:通过电子自旋而非电子移动完成计算。新设计则依然以硅作为主要材料,但转而采用全新的芯片配置架构:比如堆叠累积已蚀刻过微电路的硅薄层,尽量集中更多的计算资源,从而形成3D化的新型芯片。三星和美光技术目前着力推动的混合存储立方体设计就是这种做法的案例之一。但是这种设计是否能有效解决发热问题,以及最终量产的难度和成本依然是使该方案难以实现的重要原因。
除了更新硬件,芯片性能的提高也可以通过算法及软件上的进步使同一枚芯片实现更多的功能。比如利用量子计算或者神经形态计算,通过更新模型为特定计算类型带来指数性的速度增长。但是这些替代性计算模型大多用于科研实验,如果真正应用于日常生活,其成本和能源消耗仍是难以忽视的问题。
除此之外,还有与提高芯片性能背道而驰的另一种发展路径:降低移动设备的配置性能。基于长期历史尺度下计算设备移动化的宏观趋势,此模式将普及把运算节点设置云端的方式,而移动设备仅需配置社交、办公、浏览网页、播放视频之类最基础的功能,一旦出现大负载运算需求就采用云计算加以实现,并最终通过无线互联网体系在用户终端上呈现结果。毕竟,多数用户的关注点往往集中于切实的用户体验,包括续航、运算速度、产品设计等等,而从来不在于某个型号具体的性能数值。从用户体验的角度出发,云计算的发展前景无疑在移动设备领域具有强烈的吸引力和可行性。
虽然有种种手段试图续写摩尔定律,但过去那个高速增长的神话已不可能永远延续。摩尔定律曾经设定了全球计算机产业的发展节奏,并形塑了今天我们所生活的社会。但离开摩尔定律,芯片依然在更新,进步仍然会发生。