經(jīng)常有人預(yù)言摩爾定律(Moore's Law)即將失效，該定律闡明了推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)性能長(zhǎng)期持續(xù)提高的主要因素。

美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)首席微電子專家比爾?查普爾(Bill Chappell)更表示，摩爾定律早在“十年前就死了”。

如今美國(guó)芯片業(yè)正開始直面一個(gè)令人不安的現(xiàn)實(shí)。長(zhǎng)期以來(lái)，芯片性能可靠的提升一直支撐著該行業(yè)的發(fā)展——并提供了計(jì)算能力來(lái)開辟新的技術(shù)市場(chǎng)———但一段時(shí)間以來(lái)，這種性能改善在持續(xù)減弱。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)工程和公共政策教授埃麗卡?富克斯(Erica Fuchs)表示，這一現(xiàn)象從2004年起就很明顯了。上周她在DARPA于舊金山舉辦的會(huì)議上發(fā)表講話時(shí)指出，芯片公司也一直在艱難地應(yīng)對(duì)研發(fā)回報(bào)下降的局面。

她稱，“他們不得不投入越來(lái)越多的資金，但是收入?yún)s沒有同步增長(zhǎng)?！?/p>

在美國(guó)芯片業(yè)的60年歷史上，這段不祥時(shí)期仿佛只是一眨眼。周期性的繁榮，加上硅出現(xiàn)了新的市場(chǎng)——從無(wú)人駕駛汽車到機(jī)器學(xué)習(xí)——提升了該行業(yè)的銷售額，并推動(dòng)費(fèi)城半導(dǎo)體指數(shù)自2016年初以來(lái)上漲了一倍。相比之下，標(biāo)普500指數(shù)(S&P 500)上漲了38%。

但是，作為美國(guó)技術(shù)領(lǐng)先的關(guān)鍵支柱之一，這個(gè)行業(yè)正顯露出自信破碎的跡象。

去年初發(fā)布的出自一個(gè)總統(tǒng)顧問小組之手的報(bào)告闡明了其中的危險(xiǎn)。除了正開始導(dǎo)致創(chuàng)新放緩的“基礎(chǔ)技術(shù)限制”，撰寫該報(bào)告的行業(yè)領(lǐng)袖警告說，中國(guó)將依托由大量政府資金支持的產(chǎn)業(yè)政策，“竭力重塑市場(chǎng)，使之更有利于中國(guó)”，“威脅美國(guó)工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力”。

正是在這樣的背景下，DARPA上周宣布支持一系列研究項(xiàng)目，以幫助確定該行業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展方向。DARPA以其研究成果為互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)駕駛汽車等領(lǐng)域帶來(lái)突破而聞名。

對(duì)眾多學(xué)術(shù)界和企業(yè)界相關(guān)研究人員的撥款是該機(jī)構(gòu)一項(xiàng)15億美元計(jì)劃的一部分，這也是該機(jī)構(gòu)近40年來(lái)首次大規(guī)模介入芯片領(lǐng)域。查普爾表示，這種介入是必要的，因?yàn)樵撔袠I(yè)正處于一個(gè)“拐點(diǎn)”，需要把目光轉(zhuǎn)向更長(zhǎng)期的影響因素上。

注意力似乎早該轉(zhuǎn)移了。富克斯教授表示，一個(gè)主要行業(yè)組織從十幾年前就提議撥6億美元作為長(zhǎng)期研究預(yù)算。最終承諾投入的研究經(jīng)費(fèi)卻僅為2000萬(wàn)美元。

DARPA計(jì)劃支持的研究項(xiàng)目涵蓋芯片架構(gòu)、新材料和設(shè)計(jì)，這些項(xiàng)目讓人得以略知可能在今后十年推動(dòng)發(fā)展的技術(shù)。它們也預(yù)示著，隨著在摩爾定律下運(yùn)行的舊的必然性消逝，芯片行業(yè)的面貌可能發(fā)生什么重大變化。

例如，在芯片架構(gòu)方面，該行業(yè)正面臨著通用芯片（數(shù)字時(shí)代的主要功臣，例如英特爾(Intel)的CPU）收益遞減的問題。雖然以計(jì)算能力來(lái)說，通用芯片有著無(wú)與倫比的性價(jià)比，但它們不能針對(duì)特定任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。英特爾的研發(fā)負(fù)責(zé)人邁克爾?梅伯里(Mike Mayberry)表示，未來(lái)異構(gòu)性將更加突出。

DARPA的研究的一個(gè)重點(diǎn)是兼顧計(jì)算能力和靈活性的新芯片架構(gòu)。這包括“軟件定義的硬件”(SDH)，或者說可以動(dòng)態(tài)重新編程的芯片——如今的“現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列”(FPGA)的延伸，后者是制成后可調(diào)整并具有一定靈活性的集成電路。

查普爾表示，機(jī)器學(xué)習(xí)的興起讓人得以一瞥這個(gè)新世界的可能面貌。市場(chǎng)對(duì)能處理海量數(shù)據(jù)的專用芯片（人工智能的深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)在訓(xùn)練時(shí)需要用到海量數(shù)據(jù)）的需求，為英偉達(dá)(Nvidia)帶來(lái)了新活力。英偉達(dá)的圖形處理單元最初是為了處理視頻而設(shè)計(jì)的。這種需求也為谷歌(Google)打開了一扇門，該公司推出了一種名為TPU的大數(shù)據(jù)芯片設(shè)計(jì)。

與此同時(shí)，英特爾正利用FPGA來(lái)提高其用于機(jī)器學(xué)習(xí)的CPU的性能——這是微軟在腦波計(jì)劃(Project Brainwave)采用的方法，腦波計(jì)劃旨在為其數(shù)據(jù)中心帶來(lái)更深層次的AI能力。

據(jù)谷歌母公司Alphabet董事會(huì)主席約翰?亨尼斯(John Hennessy)表示，此類“特定領(lǐng)域的架構(gòu)”的興起代表著影響芯片業(yè)發(fā)展的最重要因素。亨尼斯本人從事過多年硬件設(shè)計(jì)工作。

這可能在其他新興的計(jì)算市場(chǎng)樹立一種模式。例如，梅伯里表示，我們可以設(shè)想一種經(jīng)過專門優(yōu)化的新型處理器，應(yīng)用于需要在現(xiàn)實(shí)世界中與人在一起時(shí)運(yùn)行的個(gè)人機(jī)器人。

對(duì)英特爾、英偉達(dá)和高通(Qualcomm)等公司來(lái)說，這一趨勢(shì)可能是個(gè)好兆頭。查普爾表示，該趨勢(shì)讓人看到了一個(gè)潛在的未來(lái)，大型的“水平”芯片公司（其產(chǎn)品可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域）將繼續(xù)在更專業(yè)化的計(jì)算領(lǐng)域處于支配地位。

然而，技術(shù)領(lǐng)域的其他長(zhǎng)期趨勢(shì)可能為新進(jìn)入者提供機(jī)遇，并帶來(lái)更具顛覆性的變化。

在材料方面，DARPA支持探索集成專業(yè)元件（如今已經(jīng)會(huì)添加在芯片上，以通過不同方式提高其性能）的方法。這主要是為了克服一個(gè)根本性的瓶頸，即信息需要在芯片的記憶元件和邏輯處理器之間來(lái)回傳輸——這降低了性能，特別是在涉及大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用上。據(jù)DARPA表示，一種結(jié)果可能是研究出新的硬件設(shè)計(jì)，徹底顛覆舊的方法，將處理能力轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的地方——這是現(xiàn)代計(jì)算領(lǐng)域越來(lái)越以數(shù)據(jù)為中心的本質(zhì)的明顯標(biāo)志。

與此同時(shí)，在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DARPA支持旨在通過提高自動(dòng)化程度來(lái)降低成本的新技術(shù)，同時(shí)把設(shè)計(jì)任務(wù)分解成更小的單位。

像這樣的趨勢(shì)預(yù)示著未來(lái)新進(jìn)入者有可能影響專業(yè)芯片設(shè)計(jì)。查普爾稱，這可能會(huì)讓Facebook和亞馬遜(Amazon)之類的公司在提供服務(wù)方面——從擁有數(shù)據(jù)直到設(shè)計(jì)專用硅——擁有更多的控制。

將設(shè)計(jì)和制造分解到更小的組件上，也使得較小規(guī)模公司參與進(jìn)來(lái)具有經(jīng)濟(jì)效益，扭轉(zhuǎn)行業(yè)整合直至集中到少數(shù)幾家全球巨擘手中的趨勢(shì)。查普爾將這與精釀行業(yè)作比，認(rèn)為初創(chuàng)企業(yè)和對(duì)“垂直”市場(chǎng)（如醫(yī)療影像）感興趣的公司將設(shè)計(jì)并生產(chǎn)較小批次的芯片。

這樣的前景會(huì)吸引國(guó)防部研究人員并不奇怪。梅伯里表示，美國(guó)軍方已變得依賴于其委托制造數(shù)量相對(duì)較少的高度優(yōu)化芯片的能力。五角大樓、以及美國(guó)芯片業(yè)在技術(shù)上的全球領(lǐng)先地位可能面臨威脅。

延伸閱讀——超越摩爾定律

摩爾定律是芯片業(yè)的經(jīng)驗(yàn)法則，由英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登?摩爾(Gordon Moore)在1965年提出，預(yù)言一塊芯片上的晶體管數(shù)量大致每?jī)赡暝黾右槐?。此后，這個(gè)術(shù)語(yǔ)被延伸至囊括了影響芯片性能的其他因素——例如登納德縮放定律(Dennard scaling)——現(xiàn)在涵蓋了總的芯片性價(jià)比的改善。

根據(jù)Alphabet董事會(huì)主席約翰?亨尼斯的說法，這一良性因素的放緩已經(jīng)導(dǎo)致技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了明顯赤字。

他稱，過去十年芯片性能提高軌跡落在摩爾定律的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)曲線之下，使得如今芯片上的晶體管密度只為應(yīng)有密度的十分之一。這代表了性能顯著損失，盡管在過去40年中晶體管密度已經(jīng)提高了100萬(wàn)倍。

與此同時(shí)，查普爾認(rèn)為，造成這種狀況的主要原因在于經(jīng)濟(jì)方面，而非技術(shù)方面。他表示，研發(fā)新芯片的巨額前期設(shè)計(jì)成本以及生產(chǎn)芯片的“晶圓廠”的造價(jià)，已經(jīng)削弱了該行業(yè)通常的性價(jià)比提升，除了生產(chǎn)規(guī)模非常大的產(chǎn)品以外。