技术创新将朝着与以往不同的方向发展

在我们过往人生的大部分时间里，计算机和技术每年都会变得更好、更快、更便宜的想法就像每天早晨太阳升起一样笃定。IEEE SPECTRUM上“GlobalFoundries Halts 7-nm Chip Development”一文（点击这里查看中文译文）中所讲述的故事听起来并不像是一个时代的结束，但对于你和任何一个使用电子设备的人来说，它无疑是。

技术创新将朝着与以往不同的方向发展。

GlobalFoundries是为其他公司生产最先进硅芯片的三家主要公司之一，其客户包括AMD、IBM、Broadcom、Qualcomm、STM和美国国防部等。其他两家是三星和台积电。现在只有这两家公司在追求前沿技术。（Intel也在研发这样的更先进芯片，但它为其他公司生产芯片的业务规模相对较小。）

这是个大事件。

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自从大约60年前集成电路发明以来，计算机芯片制造商每年都能在单个硅片上封装更多的晶体管。1965年，Intel创始人之一Gordon Moore观察到，（单个硅片上封装的）晶体管的数量每24个月就会翻一番，而且还将继续以这样的速度增长下去。40年来，芯片行业成功实现了这一预测。1960年的第一个集成电路大约有10个晶体管。今天最复杂的硅芯片上有100亿个晶体管。想想看，硅芯片现在能容纳10亿倍于那时的集成电路的晶体管。

但是，摩尔定律在十年前就失效了。只是消费者没有意识到这一点。

芯片是使用特殊的化学物质和材料在晶圆厂里通过光刻技术制造出来的。要在每一代芯片中封装更多的晶体管，需要晶圆厂缩小晶体管的尺寸。第一批晶体管是用80微米宽的线刻的。如今，三星和台积电正在推动生产特征尺寸只有几十纳米的芯片。这缩小了约2000倍。

缩小线宽的新一代芯片都需要晶圆厂投入巨额资金建造新的芯片制造设备。虽然第一批晶圆厂的设备成本只有几百万美元，但今天的晶圆厂——那些追求前沿技术的晶圆厂——设备成本高达100亿美元。

而晶圆厂的成本暴涨并不只是由在芯片上封装更多晶体管引起的。芯片线宽的每次缩小都意味着更高的复杂度。在光刻的每个步骤，都必须精准地使图形处在精确的位置。在7纳米工艺中，需要多达80个这样的步骤。

将更多晶体管封装到芯片上的另一个限制是登纳德缩放定律（Dennard scale）：当晶体管变小时，它们的功率密度保持不变，因此功耗与面积成正比。但是登纳德缩放定律已经失效，产生了一个“功耗墙” ——时钟速度的一个界线限制——自2005年以来，它将微处理器的频率限制在了4千兆赫左右。这也是存储密度不会以十年前我们看到的速度增长的原因。

在后登纳德缩放定律时代，继续缩小晶体管是如此之难，以致于就连微处理器领域的领导者、数十年来一直是领先芯片技术的黄金标准的Intel公司也步履蹒跚。业内观察人士表示，Intel在向下一代10纳米和7纳米设计前进的道路上遇到了几个减速带，它目前落后于台积电和三星。

螺旋式上升的制造商投资成本、技术壁垒、功率密度限制和收益递减，这些因素综合起来构成了GlobalFoundries放弃研发7纳米制造工艺的原因。这也意味着硅芯片创新的未来方向不再是可预测的。

不再在一块芯片上安装更多的晶体管并不意味着计算机或移动设备创新的终结。（显然，前沿将会继续向前推进，但将几乎是在不知不觉中逐年前推的；GlobalFoundaries公司并没有倒闭，它只是不再是一个推进前沿技术的公司。）

它的真正含义是，我们处在可以保证计算能力年年都增长的末期阶段。其结果是我们过去60年所习惯的那类创新将终结。现在，设备设计师们需要对他们已经使用的那100亿个晶体管进行更多的创新，来取代我们过去习惯看到的那些更快的版本。

值得记住的是，在过去的至少35000年里，人类的大脑拥有1000亿个神经元。然而，我们已经学会了用相同的计算能力做更多的事情。半导体也是如此。我们要找出使用这100亿个晶体管的全新方法。

例如，即将出现新的芯片架构，比如用于人工智能和其他类型机器学习的大规模并行CPU和专用芯片，封装芯片和将存储器互连的新方法，甚至是新型存储器。而其他的设计有的在向极低能耗的方向推进，有的在向低成本的方向推进。

那么，对于消费者来说，这意味着什么呢？首先，需要非常快速的计算的高性能应用程序将继续从本地设备迁移到云，并通过新的5G网络进一步实现。其次，虽然今天的现有软件在我们购买的计算设备上运行时并不会快很多，但新的功能——面部识别、增强现实、自主导航，以及我们从未想过的应用程序——将来自使用新的显示器、传感器和其他仍在原型阶段的技术的软件。

计算机世界正在进入一个新的未知领域。对于台式机和移动设备来说，“必须”升级的需求不是为了速度，而是为了新功能。

半个世纪以来，芯片制造商的规则第一次发生了变化。在这一转型过程中，将出现一系列新的赢家和输家。看看什么会从雾中浮现出来，将是件令人兴奋的事。