與國(guó)際半導(dǎo)體發(fā)展藍(lán)圖（ITRS）專注于集成電路制造工藝的發(fā)展不同，由國(guó)際電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）舉辦的國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）側(cè)重于集成電路應(yīng)用領(lǐng)域。

說(shuō)ISSCC是全球最重要的集成電路會(huì)議，沒(méi)有之一，是因?yàn)榧呻娐奉I(lǐng)域重大的發(fā)明，大都選擇首先在ISSCC上發(fā)布。比如說(shuō)，全球首個(gè)TTL（晶體管—晶體管邏輯）電路、首個(gè)1Kb DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）、首個(gè)8位微處理器、首個(gè)32位微處理器、首個(gè)1Mb DRAM、首個(gè)單片GSM接受器、首個(gè)GHz處理器、首個(gè)多核處理器等。

摩爾定律倒計(jì)時(shí)

盡管有關(guān)摩爾定律失靈的話題在產(chǎn)業(yè)界是個(gè)經(jīng)久不衰的話題，但因?yàn)榘l(fā)布半導(dǎo)體發(fā)展趨勢(shì)最為權(quán)威的ITRS，已經(jīng)決定今年放棄以前以半導(dǎo)體制造工藝為主線的方法編制半導(dǎo)體發(fā)展藍(lán)圖，從而讓人們感到緊迫感的臨近。

去年時(shí)值摩爾定律發(fā)表50周年。ISSCC特意設(shè)立了小型論壇。英特爾在半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域的大牛、英特爾高級(jí)院士馬博，以及臺(tái)積電、賽靈思、高通等嘉賓應(yīng)邀討論“10nm之下摩爾定律的挑戰(zhàn)：技術(shù)、設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)成本”這一主題。與會(huì)嘉賓認(rèn)為，摩爾定律在未來(lái)五六年內(nèi)將會(huì)遇到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

作為全球?qū)W術(shù)象牙塔最頂尖的學(xué)術(shù)刊物，《自然》雜志只用了半個(gè)月的時(shí)間就成了全球的“網(wǎng)紅”。從1月28日?qǐng)?bào)道谷歌人工智能AlphaG在圍棋人機(jī)大戰(zhàn)中擊敗歐洲冠軍樊麾，接著是人類首次證實(shí)引力波的存在。到了2月9日，《自然》又以ITRS今年采用新的方法編制半導(dǎo)體發(fā)展藍(lán)圖為由頭，公開(kāi)“唱衰”摩爾定律。該文引用新路線圖編制委員會(huì)主席陳安（An Chen音譯）的話說(shuō)，當(dāng)尺寸縮小因?yàn)榱孔有?yīng)而難以為繼時(shí)會(huì)發(fā)生什么事情，接下來(lái)又該怎么辦？

顯然，陳安還是太樂(lè)觀了。理論上，當(dāng)半導(dǎo)體工藝提高到1nm左右時(shí)，量子效應(yīng)確切地說(shuō)是隧道效應(yīng)將會(huì)顯著起來(lái)。筆者認(rèn)為，在半導(dǎo)體工藝遠(yuǎn)未達(dá)到1nm時(shí)，就會(huì)因?yàn)楣に嚾毕荻ъ`。我們知道，銅原子的直徑約為0.29nm。英特爾目前承諾的是7nm工藝，相當(dāng)于23個(gè)銅原子的排列寬度。再往下走，當(dāng)工藝的偏差以1個(gè)原子計(jì)量時(shí)，由于工藝或者半導(dǎo)體襯底材料的純度所限，缺陷難以避免。在長(zhǎng)期高溫下，缺陷不斷擴(kuò)散，最終將導(dǎo)致芯片功能失效。

CPU：核數(shù)增長(zhǎng)放緩、主頻提速

撰寫數(shù)字架構(gòu)與系統(tǒng)部分的是來(lái)自AMD的數(shù)字架構(gòu)與系統(tǒng)分委員會(huì)主席史蒂芬·科希策（Stephen Kosonocky）。

他認(rèn)為，得益于半導(dǎo)體制造技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的集成度的提高，越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)得以放在單一芯片上，這在成本、功耗和計(jì)算能力上帶來(lái)一系列的好處。這些趨勢(shì)將為整個(gè)計(jì)算家族的所有領(lǐng)域帶來(lái)機(jī)會(huì)，這包括從用于極低功耗遙測(cè)傳感應(yīng)用的SoC（片上系統(tǒng)）、低功耗移動(dòng)SoC，直到高端的主機(jī)和服務(wù)器系統(tǒng)。

應(yīng)該指出的是，史蒂芬·科希策更多地是從芯片角度討論SoC。如果從系統(tǒng)的層面上看，他疏漏了SoC可以顯著提高系統(tǒng)可靠性和降低系統(tǒng)體積這兩大好處。因?yàn)镾oC可以有效地降低系統(tǒng)內(nèi)芯片的數(shù)量，從而顯著減少了芯片之間機(jī)械連接點(diǎn)，而體積的縮小對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用特別是方興未艾的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，是至關(guān)重要的。

史蒂芬·科希策表示，得益于并行計(jì)算和定制加速器的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)的性能正在以節(jié)能的方式不斷提高。這意味著，與傳統(tǒng)串行計(jì)算相比，在提供更強(qiáng)計(jì)算機(jī)性能以滿足日益增長(zhǎng)的用戶需求的同時(shí)，允許降低處理器的時(shí)鐘周期。

筆者以為，ISSCC提供的有關(guān)處理器內(nèi)核數(shù)和主頻的發(fā)展統(tǒng)計(jì)曲線，2016年的發(fā)展趨勢(shì)似乎并不完全支持史蒂芬·科希策的觀點(diǎn)。在處理器平均內(nèi)核數(shù)上，從2001年到2010年，處理器的核數(shù)增長(zhǎng)迅速，然而從2010年開(kāi)始，處理器平均核數(shù)的增加顯著趨緩，到2014年之后，核數(shù)平均曲線已經(jīng)呈水平狀。在處理器平均主頻上，從1993年到2003年的10年間，主頻提升非?？?，其中1994年突破100MHz，2001年突破1GHz。但從2005年至2011年平均主頻曲線不升反降，直到2012年開(kāi)始平均主頻曲線又開(kāi)始了新一輪的增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)斜率與上述10年的增長(zhǎng)斜率幾乎相同。

如果把處理器平均核數(shù)曲線與平均主頻曲線疊加在一起，就不難看出，主頻始自1993年的高速增長(zhǎng)，到了2003年撞到了“熱障”這堵墻。這促成了多核處理器的發(fā)展。而伴隨著新一代半導(dǎo)體工藝技術(shù)FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）在2011年投入商用，因?yàn)镕in在制程工藝和低功耗上的優(yōu)勢(shì)，主頻的增長(zhǎng)又取代內(nèi)核增長(zhǎng)，成為提升處理器性能的主因。

需要注意的是，ISSCC僅提供了2016年的處理器平均主頻和核數(shù)發(fā)展趨勢(shì)，任何要借助于處理器主頻增長(zhǎng)的平均曲線外延以求未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的想法，都要慎重。這是因?yàn)槟柖傻闹芷跁?huì)逐漸拉長(zhǎng)。更重要的是，SoC已成集成電路大勢(shì)所趨，F(xiàn)PGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）已經(jīng)被集成到處理器芯片上，這意味著原本對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提升顯著的基于FPGA的加速器，得以與處理器內(nèi)核集成在一個(gè)管芯（Die）上，鑒于FPGA可以針對(duì)應(yīng)用實(shí)時(shí)優(yōu)化，所以，不遠(yuǎn)的未來(lái)將取代主頻，成為處理器性能提升的主力。（相關(guān)內(nèi)容詳見(jiàn)本報(bào)2015年11月 2日封面報(bào)道《軟件開(kāi)始定義處理器》）。應(yīng)該說(shuō)，2015年英特爾收購(gòu)Altera公司，是處理器性能提高新曲線的契機(jī)。而處理器核數(shù)的變化，應(yīng)該保持現(xiàn)有的趨勢(shì)。

節(jié)能成為亮點(diǎn)

節(jié)能無(wú)疑是今年處理器領(lǐng)域亮點(diǎn)。史蒂芬·科希策認(rèn)為，韓國(guó)科學(xué)研究院（KAIST）展示了可用于不同領(lǐng)域的深度學(xué)習(xí)處理器系列，比如說(shuō)為頭戴設(shè)備/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR/HMD）用戶的自然界面和用戶體驗(yàn)（UI/UX）、汽車駕駛的助手、微型機(jī)器人的自主導(dǎo)航等。在這類處理器中，低功耗是不可或缺的。如低功耗的自然界面和用戶體驗(yàn)處理器，采用65nm CMOS工藝，它比市場(chǎng)上最新的頭戴設(shè)備處理器節(jié)能效率高出56.5%，而且比市場(chǎng)上最好的模式識(shí)別處理器的識(shí)別率高出約2%。

此外，麻省理工學(xué)院也在基于65nm工藝設(shè)計(jì)一種低功耗的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）加速器，該測(cè)試芯片展示了一個(gè)由168個(gè)處理單元構(gòu)成的可重新定義的片上網(wǎng)絡(luò)。

至于說(shuō)到黑科技，史蒂芬·科希策認(rèn)為，是基于可編程與固定功能的IP模塊（特指具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集成電路功能模塊）混合的SoC，這兩種功能模塊可以智能地根據(jù)應(yīng)用的需求參與運(yùn)算。這種黑科技尤其會(huì)出現(xiàn)在用于智能手機(jī)的應(yīng)用處理器領(lǐng)域。