提升制程掌握能力，摩爾定律將持續進(jìn)化

 互補式金屬氧化物半導體(CMOS)微縮并未結束，隨著(zhù)制程掌控能力的提升，將可看到持續的進(jìn)展。

在美國舊金山舉行的「電子復興計畫(huà)(Electronics Resurgence Initiative；ERI)」會(huì )議中針對摩爾定律(Moore's Law)進(jìn)行討論，當時(shí)的結論是摩爾定律已死——摩爾定律萬(wàn)歲！

但進(jìn)一步探討當時(shí)的討論內容時(shí)，需要先對所謂的摩爾定律進(jìn)行了解。

Gordon Moore在1965年最初觀(guān)察到，當更多功能(functions)整合到積體電路(IC)時(shí)，每個(gè)功能的單位成本(cost per function)會(huì )降低。首先，此觀(guān)察的根基來(lái)自經(jīng)濟學(xué)效益，即使基礎技術(shù)和進(jìn)步速度不斷提升，其本質(zhì)仍維持不變。

Moore并未對效能部分進(jìn)行觀(guān)察。為此，轉而參考Robert Dennard和Fred Pollack的說(shuō)法。Dennard在1974年觀(guān)察到，如果以正確的速率縮放功能和電壓，隨著(zhù)電晶體變小，尺寸、頻率和功率方面也會(huì )得到改善。英特爾(Intel)的Pollack發(fā)現，當微處理器的復雜度提升一倍時(shí)，性能將提升2的平方(即四倍)。根據這些理論，可以構建一個(gè)包括價(jià)格、整合和效能的用戶(hù)價(jià)值三角關(guān)系圖(圖1)。

圖1 價(jià)格、整合及效能的用戶(hù)價(jià)值關(guān)系圖。

那么，當人們說(shuō)摩爾定律已經(jīng)失效時(shí)，那是代表什么意思？它們通常不是指摩爾定律(經(jīng)濟學(xué)層面)本身。

首先，當人們感嘆中央處理器(CPU)核心頻率不再像90年代那樣一直提升時(shí)，其實(shí)指的是Dennard縮放定律(Dennard Scaling)。我們雖然從未完全遵循此定律，但在90年代的發(fā)展最能符合此定律。

第二點(diǎn)，當人們感嘆電腦速度無(wú)法更快，這與Pollack對于處理器的觀(guān)察有關(guān)，但并未考慮到網(wǎng)路或記憶體限制所造成的問(wèn)題。大部分的架構受限于記憶體，然而許多日常需要處理的工作卻受限于網(wǎng)路，打造速度更快的處理器只會(huì )產(chǎn)生增量增益(incremental gains)。

第三個(gè)論點(diǎn)并未包含在三角關(guān)系圖中，而是與經(jīng)濟學(xué)有關(guān)：先進(jìn)的設計會(huì )增加成本。有些公司無(wú)法采用新的設計，因為價(jià)格太高，并且可能導致所謂的「我們并不需要這些創(chuàng )新設計」的想法。

在2000年代初期就已開(kāi)始出現這些論點(diǎn)，而當時(shí)，技術(shù)開(kāi)發(fā)者忽略這些觀(guān)點(diǎn)而持續進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以下是這十年進(jìn)展中的一個(gè)例子：將客制化微波爐大小的電腦系統縮小到大型平裝書(shū)的尺寸，且此新系統的效能優(yōu)于舊系統(圖2)！透過(guò)整合創(chuàng )造了經(jīng)濟價(jià)值，即為摩爾定律的精髓，盡管Dennard縮放定律已經(jīng)終結，功耗與效能比仍持續改進(jìn)。

圖2 將微波爐大小的電腦系統縮小到大型平裝書(shū)的尺寸，效能還優(yōu)于舊系統，即為摩爾定律的精髓。(來(lái)源：https://www.techpowerup.com/reviews/Intel/SkullCanyonNUC/6.html)

關(guān)于摩爾定律的未來(lái)發(fā)展，采用圖3來(lái)表達。

圖3 摩爾定率的未來(lái)＝CMOS微縮＋3D制程＋創(chuàng )新功能(Novel functions)，未來(lái)產(chǎn)品演進(jìn)＝異質(zhì)系統＋創(chuàng )新資料處理架構。

CMOS微縮并未結束，隨著(zhù)提升制程掌控的能力，將可看到持續的進(jìn)展。制程受到物理方面的限制不大，而是在于產(chǎn)出大量高精密產(chǎn)品的能力不足。這很困難，但期望能堅持下去。

英特爾從發(fā)展22奈米節點(diǎn)的三閘極電晶體(FinFET制程)開(kāi)始轉向3D制程。舉個(gè)更好的例子是，英特爾在5月發(fā)表了一個(gè)96層、x4(4bit-per-cell)NAND flash記憶體，每個(gè)晶粒(die)可以封裝高達1Tb的資訊。這是一個(gè)真正的后Dennard縮放定律的例子，在不進(jìn)行特征縮放(feature scaling)的情況下，增加晶粒封裝的功能。再過(guò)一段時(shí)間，預期將有更多邏輯IC采用3D制程。

英特爾有一些頗具前景的研究項目，像是穿隧式電晶體(tunnel FET)和鐵電材料，它們能大幅提高功率性能比，然而，它們并不能輕易地替代CMOS。因此，希望透過(guò)異質(zhì)整合的方式，可能以堆疊層方式(as layers)，結合縮放CMOS的優(yōu)點(diǎn)，以及這些新項目(技術(shù))提供的新功能來(lái)達到目的。

隨著(zhù)資料的數量和類(lèi)型快速增加，希望能因應未來(lái)新型態(tài)的資料處理市場(chǎng)，快速地建立起創(chuàng )新架構。以異質(zhì)架構來(lái)進(jìn)行，不僅能提升處理速度，也可整合來(lái)自多個(gè)團隊的小晶片(chiplet)。

整合記憶體和運算方式的新架構可作為后Pollack定律在資料處理方面的說(shuō)明，像是英特爾的神經(jīng)形態(tài)研究晶片Loihi就是一個(gè)例子。人工智慧(AI)在運作時(shí)，通常采用不同的記憶體存取模式，因此可采用與傳統的軟體工作方式不同的資料處理結構。

綜合以上結論，期望摩爾定律的經(jīng)濟效益能持續下去，即使有些部份與當時(shí)摩爾觀(guān)察的有所不同。事實(shí)上，不需要被這些論點(diǎn)所影響，而應該在未來(lái)50年內不斷地發(fā)展出越來(lái)越好的產(chǎn)品。

(參考原文：The Continuing Evolution of Moore's Law，by Michael Mayberry）