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芯片綠色節能也是延續摩爾定律

戈登?摩爾剛剛去世,業(yè)界關(guān)于摩爾定律未來(lái)如何演進(jìn)的分析再次多了起來(lái)。當前主流觀(guān)點(diǎn)集中在“延續摩爾More Moore”、“超越摩爾More than Moore”與擴充摩爾(Beyond Moore)  三個(gè)分支路徑之上,即通過(guò)芯片的架構創(chuàng )新、異構集成或者新材料的引用,實(shí)現更高的芯片性能與更低的成本。

 

然而,值得注意的是,性能與成本并非集成電路技術(shù)發(fā)展的全部,功耗的降低同樣極其重要。實(shí)際上,數十年以來(lái)指導芯片工藝技術(shù)演進(jìn)的,除摩爾定律之外,還有一條“登納德縮放比例定律”(Dennard Scaling),由IBM托馬斯?沃森研究中心科學(xué)家羅伯特?登納德于1974年提出。該定律指出,每平方毫米硅的功耗幾乎是恒定的,隨著(zhù)晶體管密度的增加,每個(gè)晶體管的功耗會(huì )下降。根據登納德縮放比例定律,隨著(zhù)芯片尺寸的縮小,所需的電壓和電流會(huì )下降,芯片產(chǎn)生的功耗也會(huì )降低。

 

不過(guò),登納德定律從2007年就開(kāi)始顯著(zhù)放緩,到2012年左右已接近失效。因為隨著(zhù)工藝線(xiàn)寬越來(lái)越接近物理極限,高制程的芯片,意味著(zhù)晶體管中關(guān)鍵部件柵極的長(cháng)度越來(lái)越小,越小的晶體管會(huì )使得晶體管漏電現象越嚴重,使得芯片在往更小工藝制作時(shí),功耗不減反增,同時(shí)帶來(lái)嚴重的散熱問(wèn)題。

 

摩爾定律減速疊加登納德定律失效,使得芯片制程提升給芯片性能、節能帶來(lái)的收益持續降低。芯片能耗的提高又給進(jìn)入數字時(shí)代的人們巨大挑戰。比如人們日常工作中經(jīng)常用的個(gè)人電腦,處理器已經(jīng)占到電腦整機耗能的30%以上。手機作為芯片使用大戶(hù),歷來(lái)對先進(jìn)工藝的需求都走在行業(yè)前沿,但隨著(zhù)芯片功耗的代際收益逐漸減少,未來(lái)想通過(guò)工藝提升實(shí)現功耗大幅下降已經(jīng)非常困難。

 

另一個(gè)令人警醒的案例來(lái)自于數據中心。據報道,在愛(ài)爾蘭,70座數據中心就消耗了該國14%的能源,可見(jiàn)處理器運算當中能源消耗量巨大。人們目前正在建設位于海底,使用海水冷卻的數據中心。隨著(zhù)ChatGPT熱潮的持續,未來(lái)AI運行的算力需求將更加強烈,也將產(chǎn)生更加巨大的能源消耗,以至有學(xué)者預測2030AI會(huì )消耗全球生產(chǎn)電力的30%~50%,用于計算和冷卻。

 

正因如此,降低處理器運行中的能耗成為集成電路行業(yè)的主攻方向之一。多年之前,記者采訪(fǎng)美國加州大學(xué)伯克利分校教授、FinFET技術(shù)發(fā)明人胡正明時(shí),其便預測:“集成電路的發(fā)展路徑并不一定非要把線(xiàn)寬越做越小,現在存儲器已經(jīng)朝三維方向發(fā)展了。當然我們希望把它做得更小,可是我們也可以采取其他方法推進(jìn)集成電路技術(shù)的發(fā)展,比如減少芯片的能耗。這個(gè)方向芯片還有超過(guò)1000倍的能耗可以降低?!睂W(xué)術(shù)界很早已經(jīng)預見(jiàn)到了問(wèn)題所在,也有越來(lái)越多的公司與機構著(zhù)手研究芯片節能的問(wèn)題。

 

可是在失去工藝微縮降耗這一利器之后,人們該如何實(shí)現芯片的降耗節能呢?記者采訪(fǎng)了多位專(zhuān)家,總結起來(lái)就是需要“摳細節”了——從架構、芯片設計、軟件、功能硬件、電源管理等不同層面開(kāi)展工作。這是一個(gè)系統性的工作。

 

英特爾研究院副總裁、英特爾中國研究院院長(cháng)宋繼強表示:“首先,我們得有一個(gè)能夠監測處理器各項運行指標的方案。對處理器設計來(lái)講,是要增加更多可以遙測的測試點(diǎn),通過(guò)系統工具更清楚地查看處理器的工作狀況,比如哪些運行比較飽滿(mǎn),哪些是在空轉,數據阻塞多發(fā)生在什么地方。要做到對處理器的運行心中有數?!薄霸谔幚砥髟O計的時(shí)候,可以更好的做好多核的協(xié)同,核與核之間的調度,包括多核之間做內存、緩存同步時(shí),也有許多降低能耗的空間。因為除了計算之外,芯片很大部分能耗是發(fā)生在數據間的相互交換之上。如果CPUGPU之間能夠用一個(gè)比較好的協(xié)議通道去溝通,能夠降低許多能耗?!?/span>

 

除此之外,在單芯片之上的平臺間多芯片協(xié)同,系統層的節能設計,都有大量可資挖掘的要素。ADI中國區銷(xiāo)售副總裁趙傳禹就指出,通過(guò)創(chuàng )新的電源管理技術(shù),相比傳統方式,可以幫客戶(hù)實(shí)現更好的節能方案。再比如人們正在開(kāi)發(fā)類(lèi)腦計算技術(shù),通過(guò)設備仿照生物大腦的方式來(lái)傳遞及處理信息,可以實(shí)現超低能量的消耗。

 

胡正明曾經(jīng)指出:“線(xiàn)寬的微縮總有一個(gè)極限,到了某種程度,就沒(méi)有經(jīng)濟效應驅動(dòng)人們把這條路徑繼續走下去。但是我們并不一定非要一條路走到黑,我們也可以轉換一個(gè)思路,同樣可能實(shí)現我們想要達到的目的?!蹦柖傻难葸M(jìn)正是如此,工藝線(xiàn)寬并非人們的終極追求,轉換一個(gè)思路同樣也可推進(jìn)集成電路技術(shù)的發(fā)展。

 

(來(lái)源:中國電子報、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng))