雖然摩爾定律的消亡是一個日益嚴重的問題，但每年都會有關鍵參與者的創新。

2023年3月24日，戈登·摩爾去世。戈登·摩爾發明摩爾定律。他是英特爾公司的創始人之一。1929年，摩爾出生在美國舊金山，1965年提出“摩爾定律”， 1968年創辦英特爾公司，1990年被布什總統授予“國家技術獎”。他是科學家與富豪融為一身的雙面人。

摩爾定律核心內容是集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能大約每兩年翻一倍，同時價格下降為之前的一半。

摩爾定律的重要性在于它對現代計算機和電子產品的發展產生了深遠的影響。它為半導體工業提供了一個穩定的指導原則，以促進技術的快速發展和成本的降低。這使得計算機、移動設備、數碼相機、音頻和視頻設備等現代電子產品不斷升級，功能越來越強大，同時價格越來越實惠。

近年來，科技界流傳著一種觀點：“摩爾定律已經失效”。芯片制造商雖然使用各種手段來跟進摩爾定律的步伐，但還是無法避免摩爾定律的加倍效應已經開始放緩的事實，不斷地縮小芯片的尺寸總會有物理極限。2021年，時任英特爾公司CEO的帕特·基辛格公開表達認為“摩爾定律仍然有效”，他預測未來十年摩爾定律將繼續保持，甚至更新迭代速度會更快。

以下是您需要了解的有關摩爾定律的所有信息：它對處理器意味著什么、為什么人們說它正在消亡，以及公司如何尋找解決方法。

芯片行業數十年來運作方式的描述性法則

根據摩爾定律的法則，如果業界能夠在一年內生產出具有 100 萬個晶體管的處理器，那么在兩年內，就有可能生產出 200 萬個晶體管的芯片。

這很大程度上與芯片通過工藝節點制造的方式有關。每一個新工藝都應該比上一個更密集，這就是該行業幾十年來能夠滿足摩爾定律預測的原因。那么為什么要一直增加晶體管的數量，而不每年制造更大的芯片呢？因為單個芯片只能這么大。迄今為止大體積制造的芯片最大可達800mm2，可以輕松放入手掌中。因此，需要更高的密度才能將更多的晶體管放入芯片中。

在歷史的大部分時間里，晶圓廠能夠每一兩年推出新的工藝節點，并保持摩爾定律的發展。此外，新節點還提高了頻率（有時簡稱為性能）和能效，因此使用最新工藝通常是公司想要的，除非他們正在做一些基本的東西。

摩爾定律是如何消亡的

業界預計每年都會出現新節點，但到了 21 世紀，一個令人擔憂的跡象出現了，即登納德縮放比例的結束，該縮放比例預測更緊湊的晶體管將能夠達到更高的時鐘速度，但在 2000 年代中期的 65 納米大關左右，這一情況不再成立。在如此微小的尺寸下，晶體管表現出了物理學家無法預見的新行為。

但與 2010 年代初期世界上幾乎所有晶圓廠在 32 納米左右遇到的危機相比，登納德微縮技術的結束算不了什么。將晶體管縮小到 32 納米以下極其困難，多年來，英特爾是唯一一家成功過渡到 22 納米節點的公司，這是 32 納米之后的下一個全面升級。直到2010年代中期，英特爾的競爭對手才得以迎頭趕上，但到那時，行業已經發生了巨大的變化。

上圖顯示了多年來能夠在特定年份和特定代中制造行業領先節點的公司數量。這一數字多年來一直在下降，但在 2000 年代末至 2010 年代初似乎趨于穩定。然后，當公司開始意識到超越 32 納米技術有多么困難時，他們就認輸了。當時有14家尖端晶圓廠達到了45納米節點，但只有6家達到了16納米節點。如今，這些晶圓廠中只有三個仍然處于領先地位：英特爾、三星和臺積電。然而，許多人預計三星或英特爾最終會加入倒下的行列。

即使是能夠開發這些新節點的公司也無法與舊節點的一代又一代的收益相媲美。讓芯片變得更密集變得越來越困難；比如臺積電的3nm節點就沒有縮小緩存，這是災難性的。雖然每一代的密度增益都在下降，但生產成本卻越來越高，導致每個晶體管的成本自 32nm 以來一直停滯不前，這使得以更低的價格銷售處理器變得更加困難。性能和效率的提升也沒有以前那么好。

所有這些加在一起就意味著摩爾定律對人們來說已經死亡。這不僅僅是因為未能每兩年將晶體管數量增加一倍；問題在于價格上漲、性能遭遇瓶頸以及無法像以前那樣輕松提高效率。這是整個芯片行業的生存問題。

即使摩爾定律即將消亡，公司如何滿足摩爾定律的期望

雖然摩爾定律的消亡無疑是一個日益嚴重的問題，但每年都會有關鍵參與者的創新，其中許多人正在尋找完全繞過困擾該行業多年的制造問題的方法。雖然摩爾定律談論的是晶體管，但摩爾定律的精神只需滿足傳統的一代又一代的性能改進就可以保持活力，并且該行業擁有大量可供使用的工具，而這些工具甚至在十年前還不存在。

AMD 和英特爾的小芯片技術（英特爾稱之為“tiles”）不僅被證明能夠滿足摩爾定律的性能預期，甚至還能滿足晶體管的預期。雖然單個芯片確實只能有這么大，但理論上您可以在單個處理器中添加很多很多芯片。小芯片本質上是一個小芯片，它與其他小芯片配對構成一個完整的處理器。AMD 在 2019 年采用小芯片，使該公司在臺式機和服務器中提供的核心數量增加了一倍。

另一方面，英偉達則自豪地宣布摩爾定律已死，并將一切賭注押在人工智能上。通過支持 AI 的 Tensor 核心加速工作負載，性能可以輕松提高一倍或更多，因此英偉達根本沒有觸及小芯片。然而，人工智能無疑是一種軟件密集型的解決方案。DLSS是英偉達的 AI 驅動的分辨率升級技術，需要游戲開發者和英偉達雙方的努力才能在游戲中實現，而且 DLSS 也并不完美。

除了這兩個之外，唯一的其他選擇是簡單地改進處理器的架構，并從相同數量的晶體管中獲得更高的性能。歷史上，企業很難走這條路，雖然新一代處理器帶來了架構改進，但性能提升通常只有個位數百分比。無論如何，芯片設計人員從現在開始可能有必要更多地關注架構升級，因為這不僅僅是一個階段。





審核編輯：劉清