姓名:王紫圣? ? ? 學(xué)號:16130140355

轉(zhuǎn)載自:原創(chuàng)? 道法自然 原理

【嵌牛導(dǎo)讀】原理計(jì)算機(jī)文化系列用前幾期的文章介紹了計(jì)算機(jī)的起源燎含。在介紹計(jì)算機(jī)各個分支的發(fā)展之前锚赤，筆者希望在接下來的幾期里和大家共同探討計(jì)算機(jī)極限這一個話題馒胆∠林＃《自然》期刊在2014年刊登了一篇Igor Markov的文章“Limits on Fundamental Limits to Computation” [1]亚茬。我們將以此文為基礎(chǔ)并綜合各方面論文偏陪，在接下來幾期時間里每期介紹一個計(jì)算機(jī)領(lǐng)域里的金科玉律抢呆，在工程，功耗笛谦，時空概念抱虐，復(fù)雜理論及新興技術(shù)這五個方面探討計(jì)算機(jī)的極限以及面對這些極限計(jì)算機(jī)科學(xué)家們所采取的措施。今天饥脑，我們先從工程方面討論恳邀。

【嵌牛鼻子】計(jì)算機(jī)在性能方面的極限

【嵌牛提問】計(jì)算機(jī)是人造物，那么他的極限由什么決定?

【嵌牛正文】從1958年第一個僅包含一個雙極性晶體管的集成電路問世到如今集成十幾億晶體管的處理器芯片灶轰，集成電路在近六十年的時間里發(fā)展迅速谣沸。我們現(xiàn)在用的手機(jī)的性能也已經(jīng)相當(dāng)于30年前的 Cray-2 超計(jì)算機(jī)了，然而手機(jī)的功耗卻只有Cray-2的十萬分之一笋颤，價格更是被降到大多數(shù)普通人能接受的程度乳附。如此巨大的發(fā)展速度的背后是什么規(guī)律呢？30年后我們也能每人手里拿個天河2號嗎？要說清楚這個問題我們就不得不提到芯片產(chǎn)業(yè)最著名的金科玉律——摩爾定律赋除。

摩爾定律由高登·摩爾于1965年在《電子學(xué)》雜志中提出阱缓。之后于1968年和羅伯特·諾伊斯共同創(chuàng)辦英特爾公司，時任副總裁举农。在創(chuàng)辦之前荆针，摩爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體晶體管制程的發(fā)展速度對于芯片制造業(yè)非常重要。如果發(fā)展過慢颁糟，不但芯片的制作成本不會得到有效的分散航背，公司還會面臨被競爭對手淘汰的風(fēng)險。如果傾其所有研究晶體管的制程滚停，一旦研究失敗對公司的打擊也是毀滅性的沃粗。

于是當(dāng)時的芯片生產(chǎn)行業(yè)都在試圖尋找一個合適的發(fā)展速度，使得在公司利潤最大化的同時能夠繼續(xù)分配一部分利潤出來維持這個發(fā)展速度键畴。在觀察了當(dāng)時晶體管制程的發(fā)展之后最盅，摩爾在1965年提出了摩爾定律：同面積的集成電路上可容納的晶體管數(shù)量會以每年增加一倍的速度發(fā)展。

在10年之后的1975年起惕，摩爾在“IEEE國際電子元件大會” 上發(fā)表論文“Progress in Digital Integrated Electronics”涡贱，根據(jù)當(dāng)時的實(shí)際情況對摩爾定律做出了第一次修正，將每年增加一倍改為每兩年增加一倍惹想。摩爾定律作為一個經(jīng)驗(yàn)法則為芯片生產(chǎn)商提供了一個利潤和風(fēng)險的折中问词，而半導(dǎo)體行業(yè)也遵循這個法則進(jìn)入一個良性的發(fā)展。

英特爾執(zhí)行副總裁 William.M.Holt 在2016年的 ISSCC 會議上比較了十年內(nèi)按照摩爾定律發(fā)展新制程和一直使用舊制程生產(chǎn)芯片這兩種生產(chǎn)方式嘀粱，發(fā)現(xiàn)前者的芯片生產(chǎn)成本的成本僅是后者的40% [2]激挪。而摩爾定律畢竟是一個經(jīng)驗(yàn)法則，在1975年第一次修正之后锋叨，半導(dǎo)體行業(yè)在摩爾定律的指導(dǎo)下一直發(fā)展到2013年垄分。ITRS（International Templar Research Society）在2013年將摩爾定律進(jìn)行了第二次修正，將之前每兩年翻倍的發(fā)展速度改成了每三年翻倍娃磺。

這次的修正從工程的角度來看至少有四個原因薄湿。

首先是工藝的極限。現(xiàn)在的半導(dǎo)體制造工藝中很重要的一個部分是光刻（photolithography）偷卧。光刻利用曝光和顯影在光刻膠層上畫幾何圖形豺瘤，然和通過刻蝕工藝（etching）將光掩膜上的圖形轉(zhuǎn)移到所在的襯底上[3]。這種工藝在理論上受到阿貝分辨率的限制听诸。簡單地說坐求，由于可見光的波動性使其可以發(fā)生衍射，光束不能無限的聚焦晌梨。而分辨率的極限值大約在λ?2n瞻赶， 其中λ是光刻所用的激光波長赛糟，n是介質(zhì)的數(shù)值孔徑（Numerical Aperture)派任。數(shù)值孔徑現(xiàn)在光學(xué)能達(dá)到的極限是1.4砸逊，那么光刻精度的極限就是λ?2.8。這么看來掌逛，要做到更小的工藝师逸，我們就要用到波長更短的激光，而短波長的激光利用起來本就非常復(fù)雜豆混。雖然科學(xué)家提出了新的工藝技術(shù) [4] 使得現(xiàn)在的光刻工藝突破了阿貝分辨率的限制篓像，能夠使用波長是193nm的激光能做出14nm的工藝，這種工藝技術(shù)也大大提高了制作成本皿伺。無論是在阿貝分辨率的限制下利用更短波長的激光還是開發(fā)出新技術(shù)來突破阿貝分辨率的限制员辩，把單個晶體管做到更小（即在同面積的集成電路上容納更多的晶體管）變得異常困難鸵鸥。

其次是內(nèi)部連接的極限奠滑。隨著單位面積集成電路中的晶體管越來越多，內(nèi)部連接成了集成電路中越來越重要的部分妒穴。內(nèi)部連接要么做到快速的信號傳輸宋税，要么做到盡量細(xì)的銅線和密集的排布（從而做到更小的集成電路設(shè)計(jì)），但魚和熊掌不能可得兼讼油。因?yàn)楦?xì)的銅線會增加銅線的電阻而更密集的排線也會影響銅線間電流的相互影響杰赛。早在1995年英特爾的研究員們就指出了真正限制集成電路發(fā)展的是其內(nèi)部的連接技術(shù) [5]。為了解決這個問題矮台，科學(xué)家們提出了光波導(dǎo)管（photonic waiveguide)的概念來替換傳統(tǒng)的銅線連接方式 [6]乏屯。而這種內(nèi)部連接的方式也受到麥克斯維爾方程的理論限制，比如電磁波傳輸?shù)乃俣壬舷轠7]瘦赫。所以辰晕，即便是晶體管能夠越做越小，如何在保證快速信號傳輸?shù)耐瑫r加入更多的內(nèi)部連接也成為了一個非常棘手的問題耸彪。

再次是傳統(tǒng)晶體管的設(shè)計(jì)極限伞芹。當(dāng)晶體管尺寸做到10nm的時候，晶體管的柵氧化層僅僅之有幾個原子的厚度蝉娜。在這個尺度下至少會有三個問題唱较。其一，在量子隧穿效應(yīng)的影響下召川，晶體管的性質(zhì)將變得很不穩(wěn)定南缓。其二，因?yàn)槊總€晶體管的制造過程不可能完全一樣荧呐，每個晶體管會有不同的特性汉形，而產(chǎn)生的不同特性在納米級的尺度下會更加明顯纸镊。其三，晶體管將會發(fā)生嚴(yán)重的漏電概疆。這對移動設(shè)備興起的今天是一個相當(dāng)大的問題逗威。畢竟誰也不希望自己的手機(jī)充電兩小時，通話五分鐘岔冀。因?yàn)榱孔有?yīng)在10nm左右的尺寸下介入凯旭，將傳統(tǒng)晶體管做到這個尺度以下將會變得難上加難。當(dāng)然科學(xué)家為了突破這個極限也提出了很多新的晶體管設(shè)計(jì)使套，其中比較成熟的有FinFET [8] 和 Tunneling Transistor [9]罐呼。FinFET 在傳統(tǒng)晶體管的基礎(chǔ)上通過三維設(shè)計(jì)增加?xùn)叛趸瘜拥膶挾龋鴗uneling transistor 更是提出了控制量子隧穿的辦法侦高。但這些技術(shù)方面的改進(jìn)也不是白來的嫉柴，同樣需要大量的資本投入，從而放緩了之前摩爾定律多設(shè)下的發(fā)展規(guī)則奉呛。

最后一個要提到的是技術(shù)投入的極限计螺。之前提到科學(xué)家們面臨各種物理極限時候在晶體管制作工程方面提出的改變。而正是這些改變的措施造就了這第四項(xiàng)極限侧馅。新科技的研發(fā)需要大量的資金以及時間危尿，即便是研發(fā)成功，公司的技術(shù)人員也需要投入大量的精力去學(xué)習(xí)并使用這些新的技術(shù)馁痴。這就導(dǎo)致了很多中小芯片制造商無力承擔(dān)這項(xiàng)技術(shù)投入谊娇，而轉(zhuǎn)向繼續(xù)使用老技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)加工。正是因?yàn)檫@些中小芯片廠商大量退出新技術(shù)的研發(fā)罗晕，芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在到達(dá)原有技術(shù)的理論極限之后遇到了發(fā)展的瓶頸济欢。發(fā)展速度也因此明顯放緩。這也是導(dǎo)致了2013年ITRS對摩爾定律進(jìn)行了第二次的修正的原因之一小渊。

所以單純將晶體管做小這條路不會一直走下去法褥，而摩爾定律在今后的某個時間段可能會再一次遇到瓶頸。所以我們在30年后手拿天河2號的理想也不太可能實(shí)現(xiàn)酬屉。然而這一切似乎并不代表著結(jié)束半等，面對這一工程上面的限制，業(yè)界提出了一種新的發(fā)展方向——超越摩爾定律（More than Moore)呐萨。持有這個觀念的計(jì)算機(jī)科學(xué)家們逐漸轉(zhuǎn)向了對計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的研究杀饵，更加側(cè)重于功能的多樣化，更多的靠電路設(shè)計(jì)及系統(tǒng)算法進(jìn)行優(yōu)化谬擦。于是切距，研究者們開始向更高維度來尋找可能性。就像當(dāng)一個城市的道路無法滿足人們的需求時就會出現(xiàn)地鐵和高架橋惨远，在二維工藝受限時谜悟，人們便開始探索三維集成電路话肖。比如把處理器和內(nèi)存上下堆疊，使用封裝內(nèi)走線來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維平面走線做連接葡幸。這種三維結(jié)構(gòu)不僅通過封裝內(nèi)走線的高密度性增加了內(nèi)存訪問帶寬最筒，同時也因?yàn)闇p少了連接長度而減少了數(shù)據(jù)訪問的延遲。

所以正如FinFET之父胡志明所說礼患，“即便是面對如此之多的理論限制是钥，半導(dǎo)體的發(fā)展并沒有進(jìn)入尾聲，產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步需要我們通過不斷的改進(jìn)缅叠，過去五十年是這樣走過來的，相信未來五十年也會這樣走下去虏冻》袅唬”