資訊科技

走出摩爾定律的迷宮

摩爾定律已經走到盡頭,晶片大廠不惜花費數十億美元研發新奇的運算技術,突破目前的困境,進而讓電腦更聰明,協助我們的生活。

撰文/帕夫洛斯(John Pavlus)
翻譯/鍾樹人
2015-08

資訊科技

走出摩爾定律的迷宮

摩爾定律已經走到盡頭,晶片大廠不惜花費數十億美元研發新奇的運算技術,突破目前的困境,進而讓電腦更聰明,協助我們的生活。

撰文/帕夫洛斯(John Pavlus)
翻譯/鍾樹人
2015-08

重點提要
■電腦運算效能的提升在過去幾乎符合摩爾定律,每兩年電腦晶片上的電晶體數目便會倍增。但是電晶體的微縮不可能永無止盡,而這個大限已經逼近。
■晶片大廠花費數十億美元來研發全新的運算架構並設計處理器,其中有些是以新材料為基礎。許多在實驗室裡長期研發的概念,如今受到產業界的高度重視。
■現在判斷哪項技術勝出,還言之過早。最有可能的結果,與過去把所有任務指派給單一中央處理器(CPU)不同,未來將由專門的技術負責處理特定任務;摩爾定律會演變出各種型式。

在英特爾(Intel)研發總部一間沒有窗戶的小會議室裡,波耳(Mark Bohr)語調平淡地向眾人解釋,大家耳熟能詳的摩爾定律為何已經失效,而且有一段時間了;他是這家全球微處理器兼半導體大廠的製程架構與整合部門主管。這聽來似乎令人意外,因為波耳從事的行業就遵循摩爾定律。他的工作是設法讓英特爾目前14奈米電晶體的體積,在10年內縮小一半。但戴著圓框眼鏡的波耳,眼睛連眨也沒眨一下,他說:「傳統的電晶體微縮法則是利用相同的基本結構和材料,使體積變得更小。但你們必須了解,那樣的年代早在10年前就結束了。」

1965年,快捷半導體公司(Fairchild Semiconductor)的研發主管摩爾(Gordon Moore)發表了一篇有著直白標題的文章〈在積體電路上置入更多的元件〉。他預測,以最佳成本整合進晶片的電晶體數目,每年會倍增。10年後,他修改了預測,變成著名的摩爾定律:電腦晶片的電晶體數目每兩年會倍增。

積體電路使電腦運作,但摩爾定律使電腦演變。因為電晶體是電腦的「原子」:在電腦的記憶體與邏輯單元中,這些微小開關透過電壓變換來編碼1與0。如果我們在同樣的實體空間內塞進兩倍的電晶體數目,就能以同樣成本得到兩倍的運算效能。英特爾第一個通用微處理器8080在1974年發售,促成了個人電腦革命。這個晶片長度約五公分、形狀像巧克力棒,含有4500個電晶。而我在寫這篇文章時,英特爾高效能的伺服器中央處理器(CPU)是市面上販售、電晶體密度最高的晶片,包含45億個電晶體。英特爾在美國俄勒岡州希爾斯波洛的晶圓廠裡,最新製程能在矽晶圓上蝕刻出小至14奈米的圖案(feature),這比細菌的鞭毛還要細。晶片上的電晶體密度呈指數成長,把20世紀中葉那座佔滿一整個房間、由真空管驅動的計算機,轉變成21世紀初期由矽主導的小型化奇蹟。

但是摩爾定律也受限於物理定律,這種前所未有的小型化步調,在未來10年內將無法維持。所以晶片大廠例如英特爾、國際商業機器股份有限公司(IBM)、惠普(HP)才會投入數十億美元,想要了解「後摩爾定律」的世界。我們可能要拋棄現今科技運作的一些基本思維:電腦晶片一定是蝕刻出二維導線的矽基板?IBM可不這麼認為,他們正認真研究以奈米碳管和石墨烯當做運算元件的基板。那麼這些基板是否必須透過電壓運作?IBM和惠普也把希望放在光子學,這些基板利用的是光脈衝,而不是電壓。

惠普甚至更進一步,他們想要延伸電子學的基礎理論,於是打造了一台原型電腦,代號「機器」,所運用的能力是電子學長久失落的一環——憶阻器(memristor),這種元件能結合電腦的儲存和隨機存取記憶體(RAM)功能。我們一般都把CPU比喻成電腦的「大腦」,但是憶阻器比電晶體更加適合這個比喻,因為它的運作方式類似神經元:憶阻器能夠儲存、傳遞和編碼資訊。以這種方式結合揮發性記憶體和非揮發性的儲存媒介,可以大幅增加效率,減少所謂的「馮紐曼瓶頸」,解除停滯了半世紀的運算能力。

在未來幾年內,這些技術都還不足以取代或加強電腦和手機的晶片。但在2020年之前,至少有一項技術能夠增加運算效能,並且可能在傳統矽電路工程日益式微時取而代之。問題是,哪種技術會乘虛而入,還有何時登上霸主之位?


邁向後矽時代


摩爾定律的概念很簡單:把電晶體的尺寸減半,以同樣成本使得運算效能加倍。可是一路走來,其實沒有那麼簡單。摩爾在1965年的論文或許預測了每兩年電晶體的密度會發生什麼事,但從未描述如何藉由密度增加使效能倍增。直到九年後,IBM的科學家丹納德(Robert Dennard)才發表論文,解釋現在廣為人知的丹納德微縮方程式。它描述金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)在尺寸縮小後,功率密度如何保持不變。換句話說,當電晶體縮小時,切換開關所需的電壓和電流也降低了。


過去30年,丹納德微縮方程式默默推動著摩爾定律,個人電腦的效能持續且穩定增加,幫助人們開展事業、設計產品、治療疾病、引導太空船、普及網路。可是丹納德微縮方程式後來也失效了!晶圓廠一旦在矽晶圓上蝕刻小於65奈米(大概只有愛滋病毒長度的一半)的圖案,因為量子力學,晶片工程師發現電晶體會開始「漏電」:電晶體變得太小而無法有效切換「開」與「關」。這是個嚴重的問題,代表電腦無法分辨1與0。不僅如此,IBM和英特爾的研究人員也發現了所謂的「頻率障礙」,限制以矽製成的CPU執行邏輯運算的次數,大約每秒40億次(4GHz),再快就會太熱而熔化。


技術上來說,摩爾定律可以持續下去(目前是如此):英特爾每兩年就做出更小的電晶體,但並沒有產生更便宜、更快速的電腦。


從2000年開始,面臨這些障礙的晶片工程師,一直在研發更聰明的處理辦法。他們利用了多核心CPU(1個10GHz處理器會「燒掉」,但4個、8個,甚至16個一同運作的3GHz處理器則不會),避開頻率障礙的問題。他們改用三閘極取代單閘極來控制電流,改善電晶體的漏電問題。他們也重新設計系統,使CPU把特別繁重的任務「外包」給專門的助手(舉例來說,iPhone6有專職負責螢幕顯示的四核心圖形處理器)。但這些權宜之計無法改變一項事實:不到10年,矽電晶體就無法再縮小。


所以晶片大廠都在尋找擺脫矽的方法。去年,IBM宣佈要挹注30億美元,積極研發其他各種後矽時代的運算型式。他們研究的主要材料是石墨烯:厚度只有一個原子的碳薄層。石墨烯與矽一樣,在很大的溫度範圍內仍保有穩定的導電特性,而電子能以相對論速度通過石墨烯。更關鍵的是,石墨烯可以不斷微縮,至少在實驗室裡是如此。石墨烯電晶體的運作速度能比頂尖效能的矽元件快上百倍、甚至千倍,而且功率密度還算合理,即使在五奈米以下也是如此——五奈米正是矽無法跨過的量子力學門檻。


但石墨烯與矽不同,它缺少能隙(bandgap)。能隙是指電子在兩個軌域的能量差距,受原子束縛的軌域與可自由移動、參與傳導的軌域。舉例來說,金屬沒有能隙,是導體。沒有能隙的材料,就難以控制電流,使得電晶體能順利切換「開」與「關」,換句話說,石墨烯元件無法有效編碼數位邏輯。IBM華生研究中心的物理科學部門主任古哈(Supratik Guha)承認:「我們在這領域一向領先,但目前石墨烯的研究結果並不令人振奮。石墨烯必須很便宜,並且提供獨特的優勢,才能取代既有的材料。它具有很棒的特質,但我們還找不到決定性用途。」


奈米碳管可能更具希望。把石墨烯薄層捲成中空的圓柱,能獲得小小的能隙,具有類似矽的半導體特性,因此可用來製作數位電晶體。古哈說:「我們審慎樂觀,以奈米碳管做為獨立元件,在微縮到10奈米左右時,效能超過目前市面上其他元件。如果能夠模擬出運用奈米碳管組成的運算系統,我們期望在效能或能源效率上或許都能(比矽)提升五倍。」


不過奈米碳管的結構十分精細,如果奈米碳管的直徑或對掌性(碳原子「捲」起來的角度)些微改變,能隙便可能消失,無法成為有效的數位電路元件。而工程師必須能夠利用現在矽晶圓廠的技術,以幾奈米的間距整齊排列數十億個奈米碳管。古哈說:「奈米碳管若要有效取代矽,我們必須在兩、三年內解決這些問題。」