摩爾定律盡頭的計算科學

引言

從上世紀60年代以來一直被IT 行業推崇為「聖經」 ，並依賴其發展的摩爾定律正在走向終結。

8月12日，在科技館舉行的理解未來系列講座邀請到全球公認的計算機領域最優秀的學者之一，美國加州大學計算機系校長講席教授叢京生帶來精彩的演講。

叢京生教授還是北大「千人計劃」講座教授、高效計算與應用中心主任，他所發明的FPGA綜合演算法是目前世界上通信和計算基礎設施的關鍵組成部分。

在講座中，叢京生回顧了過去60年計算機行業的發展歷程，從專業的角度講述了摩爾定律的起源、發展、巔峰時刻以及由此引發的對社會產生重大影響的數字革命。他闡述現代計算機科學的工作機制，並預測摩爾定律失效後計算機科學所面臨的機遇與挑戰，以及在如今的「終結」時代，互聯網行業應該以什麼樣的心態來迎接這個必然現象，又該如何積極應對隨之而來的機遇和挑戰？

「摩爾定律」是Intel聯合創始人戈登·摩爾提出來的。1971年，世界上最快的汽車是法拉利的代托納，時速高達280公里/小時(174英里/小時)。世界上最高的建築是紐約的雙子塔，高415米(1362英尺)。當年的11月，英特爾公司推出了首款商用微處理器晶元4004，該晶元含2300個微晶體管，每個晶體管的大小相當於一個紅細胞。此後，晶元一直按照戈登·摩爾的預測來更新換代。根據他的經驗法則，也就是著名的摩爾定律，隨著更小的晶體管越來越緊密地被壓縮到矽片上，半導體晶元上可集成的元器件的數目每12個月便會增加一倍。也就是說，同樣規格的晶元的成本，每12個月便會降低一半……

叢京生介紹了摩爾定律以及摩爾定律在計算機上的應用。他指出，摩爾定律預示著每兩年微處理器的晶體管數量都將加倍——意味著晶元的處理能力也加倍。這種指數級的增長，促使計算機到更先進、輕便、小巧的機器的轉化，然後又孕育出了高速度的互聯網、智能手機和現在的更互聯、更智能的應用。

但其實摩爾定律最初計算存在的問題早在1975年就出現過，所以根據可獲取的經驗數據，戈登·摩爾將定律中的翻倍時間從原來的12個月修改為24個月。在後來的30年時間裡，簡單的幾何比例縮小（使晶元上所有元器件越來越小）就保證了穩速的收縮，驗證了摩爾的預測。到了2000年，幾何比例縮小已經接近極，但是各種技術手段的發明使得該行業的發展跟上了摩爾定律的步伐。在90納米時，應變硅發明了；45納米時，增加每個晶體管電容的分層堆積在硅上的新材料發明了；22納米時，三柵極晶體管的出現保證了縮小的步伐……雖然有了這些新技術，半導體行業依然越來越接近天花板。

除此之外還有一個與摩爾定律相對的洛克定律（Rock's law），強調了生產中的成本因素。晶元製造廠商的成本每4年便會增加一倍。技術的進步以不斷為片上晶體管數量的增加鋪平道路，但是晶元生產設施的建造會十分昂貴，而更小、更便宜的處理器的使用還在不斷增加。這些因素對晶元公司的影響越來越嚴重。

叢京生指出，在以創新著稱的計算機行業，如今摩爾定律已經走向黃昏。隨著晶元製造商電路精度的越來越高， 越來越小的硅電路里的電子移動越來越快，晶元開始變得過熱，處理器運行產生的熱量很難消除，遵循了幾十年以摩爾定律為中心的行業研究規劃藍圖將面臨必要的改變。

叢京生介紹，全球半導體行業不再基於每兩年實現性能翻倍的概念來制定硅晶元研發計劃，原因就是無力承擔跟上性能提升步伐所需購買的超複雜製造工具和工藝成本。此外，當前的製造技術可能無法再像原來那樣大幅度縮小硅晶體管。在摩爾定律失效的當下，計算行業迎來了新時代。晶體管數量以及晶元的處理能力將會不在局限於在摩爾定律的設定中，呈倍數的階梯級增長，而是可以定製的架構。再者，3D技術、神經形態的計算和量子計算的加入也會給這個新的時代注入新的血液。

叢京生認為，摩爾定律的失效，為在科技領域實現「彎道超車「」提供了難得的機會。能否建成世界科技強國，主要取決於能否抓住關鍵機會，加大科技領域的投入，實現技術追趕和突破。

在接下來的對話環節中，華創資本合伙人、未來論壇青年理事熊偉銘，科學院計算技術研究所研究員徐志偉，清華大學微電子與納電子學系主任、微電子學研究所所長魏少軍，聯想集團副總裁黃瑩以及叢京生教授一起探討了在摩爾定律失效后的計算科學發展方向，以及還能有什麼方法能夠讓計算性能持續增長。

對於摩爾定律的理解，徐志偉覺得「技術發展絕對不像我們想象的過程，其應用範圍要跳出自身原先的思考維度，可能我們對摩爾定律的理解要放寬一點，因為我們業界之外的人也都在廣泛引用摩爾定律，比如做大數據的也會說每18個月數據會翻一番。」

魏少軍指出，在數據指數增長的時代，對計算的要求只會越來越高，應用也會越來越廣，未來計算是無處不在的，「這是一個大的前提，其實我們講到的計算是廣義的計算。應用的多樣化也是一個重要的趨勢，毫無疑問，從人工智慧的角度來看，摩爾定律在新的時代還會有新的表現形式。」

「應用和計算能力兩個是相輔相成的，一個是需求方，一個是供應方，今天我們看到的應用需要的計算量、數據和十年、二十年以前是沒法比的，比如你今天拿著手機看一個視頻或者玩一個遊戲很容易，這些在十年前是非常難以實現的，有應用的需求，計算一定會想各種各樣的辦法跟上，最終應用和計算能力像孿生兄弟一樣，一直往前推著計算和用往前走，而不會到哪個時間點，像懸崖一樣掉下去。」黃瑩認為應用和計算能力是相輔相成的，「比如5G出來以後，不管它最終的結果如何，都會對通訊速度有1000倍的提升，它也會把很多設備之間的互聯做很好的交互，這也是摩爾定律的一個新的表現。」

熊偉銘說，技術幾千年都在演進，從宏觀的角度我們都在一步步往前走，只是每一個階段遇到特定的環境，我們可能遇到的機會是不一樣的，摩爾定律到期了，肯定還有新的定律會出現。

在摩爾定律的盡頭，半導體行業將何去何從？ 專家們給出的答案各有各自的角度，但其中看準的都是未來更多的新機遇。

王哲，科學學特約記者。