與時俱進 不斷前行的半導體行業

　　熟悉處理器的用戶肯定聽說過摩爾定律，在半導體行業飛速發展的年代它就是科技進步的切實體現。但是與半導體市場和用戶需求一同升溫的還有處理器溫度與功耗，最終由于種種原因，摩爾定律的內容實際上已經被徹底放緩。但是半導體行業并沒有止步前行，而是在另一個方向上不斷前行。

　　摩爾定律的意義

　　摩爾定律是由Intel創始人之一戈登·摩爾提出：集成電路上可容納的晶體管數量，每隔兩年便會增加一倍(圖1);而更多的晶體管使處理器性能提升幅度如何呢?“18個月會將芯片的性能提高一倍”，Intel一位CEO大衛·豪斯如是說。

　　圖1

　　需要注意的是，定律原本適用于物理或者自然法則，而并不應該適用于半導體行業發展。摩爾定律最多只能算作一種觀測或推測，由于源自Intel所以多年來不斷被競爭對手比如AMD或者NVIDIA等廠商吐槽。不過盡管如此，摩爾定律的趨勢確確實實持續了非常久的時間(圖2)，當時不少下游廠商仍樂觀地認為摩爾定律將持續到至少2015年或2020年。也難怪，不斷發展的半導體技術會成為用戶不斷更新設備的源動力，有利可圖的廠商的樂觀態度并不難理解。

　　圖2

　　多種原因使發展放緩

　　然后事與愿違，到2010年國際半導體技術發展已經開始放緩;而前幾年可以用飛速來形容的移動設備的更新增長也在2013年年底放緩。據業界樂觀估計，之后的時間里晶體管數量密度預計只會每三年翻一倍。

　　這其中的原因是多方面的。首先在傳統PC領域中央處理器方面，自從推出Core 2架構后Intel就逐漸將競爭對手AMD越甩越遠，之后推出的酷睿i7、i5和i3系列更是一騎絕塵，不論是絕對性能和性能功耗比均優于同類產品(圖3)。這直接導致自從酷睿二代Sandy Bridge小幅度更新后，之后Ivy Bridge和Haswell的升級幅度幾乎可以忽略不計。目前桌面級i7當中主流最強的處理器當屬i7-4790K(圖4)，如果將其和i7-2700K對比，你會發現不僅晶體管數量沒有倍增，就連同頻性能提升的幅度都十分有限。

　　圖3

　　圖4

　　顯卡領域的情況與處理器類似，比如兩年前的今天最強的桌面單芯顯卡當屬GTX TITAN無疑，而當下最強的單芯卡還屬GTX TITAN X。如果不說性能單比較晶體管數量，兩年前的GTX TITAN大概是71億、而GTX TITAN則是80億，雖然有所提升但完全達不到翻倍的程度。但畢竟TITAN系列的身份特殊，如果說到主流旗艦，GTX 680和GTX 780之間間隔的時間并非到達兩年，但從35億到71億晶體管之間的提升真實反映了摩爾定律(圖5)。

　　圖5

　　功耗阻礙性能發展

　　上述所說由于缺乏市場競爭導致的發展速度放緩其實并不是主因。其實不論什么時候，用戶對于性能的要求是沒有極限的。但為什么摩爾定律速度放緩，實際產品性能停滯不前呢?那就功耗問題和與之俱來的散熱壓力問題。

　　熟悉DIY的用戶肯定記得最初的CPU和GPU幾乎是不需要散熱的，后來逐漸出現了被動散熱鰭片方式的散熱器，之后是尺寸小轉速低的小型風冷散熱器。隨著晶體管密度越來越高半導體發熱也越來越大，風冷散熱器的鰭片和風扇尺寸也與日俱增。直到現在不少超高頻率的產品已經不搭載原裝風冷散熱器單獨發售了，官方推薦使用水冷散熱器，這樣的產品其實都是為了追求性能最終向功耗和發熱妥協的產物(圖6)。

　　圖6

　　在碩大無比的PC當中只要有空間散熱問題都還容易解決，而到了移動設備上這一問題就有可能遭遇無解的尷尬。ARM架構移動智能設備處理器當中的高通其實身份有些類似x86架構當中的Intel，但是其兩年前的旗艦為驍龍800，而當下的旗艦驍龍810提升的幅度非常有限。不僅如此，驍龍810因為其功耗、漏電率和發熱問題直到今日都沒有普及，就是因為在手機設備當中解決散熱問題要比PC難上數倍。

　　摩爾定律新說

　　臺積電董事長張忠謀認為“未來5-10年半導體產業的摩爾定律將會走不下去。”但也有不同的聲音出現，比如華為手機總裁何剛受采訪時不認同摩爾定律將失效的觀點，他認為半導體領域還有很多創新機會。

　　比如iPhone 6所使用的蘋果A8處理器就是一個很好的榜樣(圖7)，A8處理器的晶體管數量高達20億，而核心面積差不多是87mm2，比競爭對手驍龍800系列的120mm2要小得多。而Intel的Haswell處理器中Core i7-4790K是14億晶體管，核心面積177mm2，換句話說臺積電20nm工藝的A8晶體管密度比Intel 22nm 3D晶體管工藝的Haswell處理器還要高。

　　圖7

　　而PC領域顯卡的架構更替更能說明問題，比如本代GTX 980擁有53億晶體管、核心面積為398mm2，上代GTX 780晶體管數量71億，核心面積561mm2。核心面積變小、晶體管數量變少(圖8)，照理說性能應該大幅下降才對，但實際上GTX 980的性能要遠勝GTX 780。

　　圖8

　　小結

　　生物在大自然中生存會找到自己的生存之道，而目前半導體行業似乎也找到了自身的解決之法。不僅依賴于制程，在工藝上的不斷進步同面積下晶體管是有可能增加的。而類似顯卡領域那樣利用架構的進步，就算是核心面積變小晶體管減少依然能帶來性能提升，是目前半導體行業新的方向。