一個(gè)時(shí)代的終結(jié)

Lance A.Davis

Senior Advisor, US National Academy of Engineering

一個(gè)時(shí)代的終結(jié)

Lance A.Davis

Senior Advisor, US National Academy of Engineering

許多人都撰寫過有關(guān)摩爾定律即將消亡和集成電路芯片晶體管密度將呈指數(shù)級(jí)擴(kuò)展的文章。當(dāng)我們?cè)谒妓鬟@一即將到來的轉(zhuǎn)變所帶來的后果時(shí)，我們應(yīng)該適當(dāng)花些時(shí)間去關(guān)注在2016年3月21日逝世的享年79歲的安迪?格魯夫。1987年至1998年，格魯夫擔(dān)任英特爾公司的首席執(zhí)行官(CEO)，之后，作為戈登?摩爾的繼任者擔(dān)任該公司的董事長(zhǎng)，直到2005年。和其他人一樣，格魯夫負(fù)責(zé)將摩爾定律和信息革命變成現(xiàn)實(shí)。

安迪?格魯夫的人生十分引人關(guān)注，很多人都說是傳奇式的。在逃離了二戰(zhàn)大屠殺和經(jīng)歷了匈牙利11年的政治動(dòng)蕩后，他以移民的身份逃到了美國，身無分文，不會(huì)說英語，并且還患有由于兒童時(shí)期的疾病導(dǎo)致的聽力喪失。但他成功地從紐約市立學(xué)院畢業(yè)，然后轉(zhuǎn)到加利福尼亞大學(xué)伯克利分校，并于1963年在伯克利獲得了化學(xué)工程博士學(xué)位。此后不久，他加入了仙童半導(dǎo)體公司，并于1968年協(xié)助創(chuàng)立了英特爾。

顯然，格魯夫是一個(gè)令人敬畏的技術(shù)人才，但是他的專長(zhǎng)似乎在管理方面。這一點(diǎn)可以在1996年出版的《只有偏執(zhí)狂才能生存》[1]一書中得到印證。據(jù)他的CEO繼任者克雷格?貝瑞特描述，他的管理方式就是采用激烈的個(gè)人競(jìng)爭(zhēng)，這在當(dāng)事者看來就像是被木板擊中頭部。許多管理顧問或心理學(xué)家可能會(huì)說，這種方法過于極端，但正是這種方法多次將英特爾從災(zāi)難的邊緣拉回來，使其成為歷史上最成功的公司之一，成為計(jì)算機(jī)行業(yè)微處理器芯片的主要供應(yīng)商。

成功并不總是等同于正確。當(dāng)一種新型奔騰處理器在1994年被推出時(shí)，一些用戶注意到，該處理器存在處理缺陷。但是格魯夫反駁到，除高級(jí)用戶外，對(duì)大多數(shù)人而言這無關(guān)緊要，中低端用戶也不必?fù)?dān)心。然而，之后出現(xiàn)了大量的用戶投訴。格魯夫和英特爾不得不走回頭路，斥資數(shù)億美元糾正該缺陷。正如喬納森?坎德爾在紐約時(shí)報(bào)上報(bào)道他逝世的消息一樣[2]，這種情形可以稱得上是從錯(cuò)誤中絕地反擊。品牌計(jì)算機(jī)上安裝的奔騰處理器在其長(zhǎng)期維護(hù)過程中持續(xù)占據(jù)顯著位置，并且已經(jīng)成為了一個(gè)與安裝此處理器的計(jì)算機(jī)一樣知名的品牌。

無論采用何種標(biāo)準(zhǔn)衡量，難以置信的密集程度和功能卓越的集成電路，在創(chuàng)造技術(shù)環(huán)境方面都起到了主導(dǎo)作用，盡管我們現(xiàn)在視其為理所當(dāng)然。從最初電腦公司(通常失敗)試圖說服家庭主婦購買家用計(jì)算機(jī)以存儲(chǔ)美食菜譜，到首個(gè)不可抗拒的電子郵件“應(yīng)用程序”的出現(xiàn)以及成為互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)和嵌入式處理器的組成部分，各種驚人的進(jìn)步都?xì)w功于對(duì)摩爾定律的持續(xù)追求 和集成電路的不斷發(fā)展。對(duì)于這些進(jìn)步，我們需要感謝安迪?格魯夫這些人。

格魯夫的經(jīng)營方針以“只有偏執(zhí)狂才能生存”為主要特點(diǎn)，需要時(shí)刻留意可能破壞重要業(yè)務(wù)的新技術(shù)或新經(jīng)營方針的突然出現(xiàn)。未雨綢繆，提前預(yù)測(cè)此類事件的發(fā)生是他每日的挑戰(zhàn)。對(duì)于當(dāng)今的半導(dǎo)體公司而言，這一挑戰(zhàn)仍然是激烈的。自始至終遵循摩爾定律的“一切照舊”模式就意味著結(jié)束。摩爾定律在未來十年左右的時(shí)間內(nèi)有可能達(dá)到其物理或?qū)嶋H制造的極限，因此半導(dǎo)體公司必須考慮如何實(shí)現(xiàn)變革。

摩爾定律由戈登?摩爾在1965年提出，并在1970年略有修改，以規(guī)定集成電路芯片的功能每隔兩年翻一番且價(jià)格每隔兩年下降一半，從而淘汰前幾代的芯片。如此，就形成了一 個(gè)良性循環(huán)：隨著每次芯片尺寸的變小，其性能會(huì)自動(dòng)提升。然而，當(dāng)90 nm芯片在21世紀(jì)初首次出現(xiàn)時(shí)，如何散去操作過程中產(chǎn)生的熱量成為了一個(gè)主要難題。在250 MHz的4核處理器與1 GHz 的單核處理器在處理速度上一樣快的設(shè)想下，在相關(guān)問題可以同時(shí)解決的前提下，時(shí)鐘速度和計(jì)算執(zhí)行速度顯著提高，多核(如2、4、8核等)微處理器已經(jīng)被制造。雖然這些措施可以使芯片尺寸繼續(xù)縮小，但是散熱問題仍然是一個(gè)瓶頸。將芯片縮小至5 nm的研究計(jì)劃已經(jīng)被提出，預(yù)計(jì)在2020—2021年實(shí)現(xiàn)。然而，在可以實(shí)現(xiàn)的前提下，將芯片進(jìn)一步縮小至2~3 nm，突破可能的物理限制需要付出巨大的努力。M?米切爾?沃爾德羅普在最近出版的《自然》雜志中詳細(xì)說明了集成電路技術(shù)的關(guān)鍵部件以及摩爾定律進(jìn)一步發(fā)展所遇到的挑戰(zhàn)[3]。

隨著芯片尺寸的逐步縮小，對(duì)生產(chǎn)芯片所需的精度要求更高，制造芯片所需的儀器和這些儀器的成本都令人咋舌。要實(shí)現(xiàn)大量芯片的經(jīng)濟(jì)化生產(chǎn)，需要一條成本達(dá)數(shù)十億美元的現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)線。此外，來自眾多供應(yīng)商的必要的材料和儀器必須彼此兼容。這些條件的演變導(dǎo)致美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)成員在1993年制定了首個(gè)半導(dǎo)體的技術(shù)路線圖。該路線圖允許同行業(yè)的與會(huì)者制定研究計(jì)劃，發(fā)展其獨(dú)特的技術(shù)，從而通過滿足行業(yè)需求在商業(yè)上變得可行。1998年，SIA將歐洲、日本、韓國和其他國家和地區(qū)納入其中，并創(chuàng)建了首個(gè)全球性路線圖——國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS) [4]。

公平地說，如果不是從路線圖了解到專家預(yù)測(cè)的協(xié)調(diào)，半導(dǎo)體革命將不會(huì)以這樣一種持續(xù)且高效的方式發(fā)生。

雖然對(duì)一些人而言，技術(shù)路線圖令人畏懼，但專家明白，它們涉及到許多相互依存部分的演變。其涉及范圍從晶體生長(zhǎng)爐到巨硅單晶晶柱，從切割及拋光晶片設(shè)備到形成芯片圖案的光刻化學(xué)品和光刻機(jī)，從蝕刻機(jī)到處理晶圓和芯片的機(jī)器人設(shè)備及驗(yàn)證芯片性能的測(cè)試設(shè)備等。在本雜志的以前卷期中，例如，屠海令[5]注意到，實(shí)現(xiàn)10 nm大小所需的單晶硅技術(shù)的下一步為將單晶體的直徑從300 mm增加到450 mm，即，從類似于樹干粗的晶柱變?yōu)轭愃朴诟謽涓傻木е?。在確保低缺陷密度和切割硅片平整度的同時(shí)處理這樣的晶柱，將會(huì)是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。

該技術(shù)路線圖通常在偶數(shù)年更新，奇數(shù)年修訂。最新一期的ITRS在2013年發(fā)布，下一期也即將出版；然而，本期意味著一個(gè)階段的結(jié)束，因?yàn)橄乱黄趯⑹状尾辉訇P(guān)注摩爾定律。此外，為了避免形成新的ITRS，SIA將制定自己的研究計(jì)劃，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)適用于特殊用途的特殊芯片，而不是更小的芯片。

為了超越摩爾定律，包括主要半導(dǎo)體制造商采用的方法在內(nèi)的廣泛的研究方法被調(diào)查。然而，目前的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)是，到處都是毫無生氣的技術(shù)公司，他們并沒有為繼續(xù)生存下去而進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)變。正如安迪?格魯夫自己所指出的，為使英特爾轉(zhuǎn)變成為微處理器芯片的主導(dǎo)者(此種轉(zhuǎn)變使公司獲得了巨大成功)，必須將主要精力傾注于內(nèi)存芯片。向“超摩爾定律”的過渡對(duì)于當(dāng)今的半導(dǎo)體制造商而言可能更困難。對(duì)他們來說，嚴(yán)重的危險(xiǎn)是，在他們?cè)噲D長(zhǎng)時(shí)間待在舒適環(huán)境中以及從前期已經(jīng)投入數(shù)十億美元的集成電路晶圓廠生產(chǎn)線中榨干所有利潤的同時(shí)，其他人成功地掌握了使當(dāng)前晶圓廠生產(chǎn)線過時(shí)的全新計(jì)算技術(shù)或商業(yè)模型，正如晶體管和集成電路的出現(xiàn)使真空管過時(shí)一樣。

[ 1] Grove AS.Only the paranoid survive.New York: Doubleday; 1996.

[2] Kandell J.Andrew S.Grove dies at 79; Intel chief spurred semiconductor revolution [Internet].2016 Mar [cited 2016 Apr 11].Available form: http://www.nytimes.com/2016/03/22/technology/andrew-grove-intel-obituary.html?emc=edit_th_20160322&nl=todaysheadlines&nlid=35255817&_r=0.

[3] Waldrop MM.The chips are down for Moore’s law [Internet].2016 Feb [cited 2016 Apr 11].Available form: http://www.nature.com/news/the-chips-aredown-for-moore-s-law-1.19338?WT.mc_id=TWT_NatureNews.

[4] Wikipedia.International technology roadmap for semiconductors.[updated 2016 Feb 9, cited 2016 Apr 11].Available from: https://en.wikipedia.org/wiki/ International_Technology_Roadmap_for_Semiconductors.

[5] Tu HL.450 mm silicon wafers are imperative for Moore’s Law but maybe postponed.Engineering 2015;1(2):162-3.

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(2): 149-150

Lance A.Davis.The Passing of an Era. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.02.001