设备与传感器

后摩尔定律的软硬件发展

字号+ 作者:撰文/整理/科学人 来源:ylib 2019-07-16 10:06

摩尔定律一般认为是由英特尔创始人戈登.摩尔最先提出,他预测半导体芯片上的晶体管数量,每年会增加一倍。目前普遍流行的说法则是,每18个月,晶体管数量会增加一倍

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现在我们都离不开计算机和手机,我们也可以感觉到,年年都会推出新计算机和手机,效能也都年年增加,这幕后的重要推手就是摩尔定律,计算科技也因此改变了世界的面貌。然而,当摩尔定律达到极限时,计算科技是否会停滞,我们又该如何面对?台湾大学资工系教授洪士灏说:“这是危机也是转机!”
 
摩尔定律如何改变世界
 
摩尔定律一般认为是由英特尔创始人戈登.摩尔(Gordon Moore)最先提出,他预测半导体芯片上的晶体管数量,每年会增加一倍。目前普遍流行的说法则是,每18个月,晶体管数量会增加一倍。
 
由于每隔一年半,产量就会增加一倍,相当于每隔一年半,成本就会降低五成,也就是说,平均每年可降低约三成多的成本。从经济层面来看,摩尔定律所带来的成本效益极高。既然投资可以很快回收,许多厂商当然也愿意花大钱投资下去,半导体业因此而蓬勃发展。
 
摩尔定律也提高了计算机的效能。晶体管越小,工作频率就越高;晶体管愈多,就能同时做更多工作。两者加乘之下,计算机效能就越来越好。然而,洪士灏说:“摩尔定律带来了副作用,大家都偷懒!”程序不够快没关系,只要等一两年,计算机就够快了。由于不需要特殊化、异质计算,所以只追求通用型设计,例如计算机都是x86,手机都是ARM架构。
 
当摩尔定律走到尽头
 
2004年,摩尔定律开始出现问题,被一堵功耗墙(power wall)挡住了前进的路。晶体管耗能会发热,发热总量可能会烧坏晶体管,所以不可能再增加工作频率,也不能让更多晶体管同时工作,单处理机的效能因而难以大幅增加。甚至有人认为,摩尔定律实际上已经终结。
 
另外,现今晶体管的尺寸已达纳米级,相当于原子的层级,技术门坎及研发成本都越来越高,已经少有厂商愿意投入。目前能够做7纳米以下的厂商只剩三家:台积电、英特尔、三星。
 
幸好2004年起,出现许多重量级应用,像是云端计算与智能手机、物联网大数据、深度学习与人工智能等。这些应用背后的关键技术就是多核心的平行及分布式计算。既然单处理机无法更强大,那就只能倚多为胜,因而绕过功耗墙,善用平行及分布式计算技术,转向发展多核心处理机。这也使得摩尔定律得以用其他面貌维持下去。
 
这些应用需要大量的处理机才能发挥作用,而硬件也因为这些应用软件才有了新的发展,这代表软硬件的共生结构越来越紧密,软硬件协同设计也变得格外重要。如果能根据应用的特性来处理软硬件协同设计,就能发挥更大的效能。以Alpha Go为例,早期还使用绘图处理机(GPU) 来处理人工智能,到了2014年,Google开始研发TPU(Tensor Processing Unit),比同时期的GPU快30倍、省电80倍。第二代Alpha Go使用了48个TPU,第三、四代则只用了四个新式TPU,还更快、更省电,可见软硬件协同设计威力之强大。
 
 
摩尔定律迟早会走到尽头,而在后摩尔定律的时代,需要的是软硬件兼备的素养和跨领域的团队合作。洪士灏认为:“比起世界其他国家和地区,我们有不错的基础”,值得大家努力发展。
 






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