摩爾定律已死，電子信息行業(yè)節(jié)能何去何從？

近日，英偉達CEO黃仁勛在一場新聞發(fā)布會回答媒體提問時表示，摩爾定律已經(jīng)死亡。他認為："Moore's law is dead. It's completely over.”

在半導體行業(yè)，摩爾定律的大名無人不知無人不曉。摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾的經(jīng)驗之談，其核心內(nèi)容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月到24個月便會增加一倍。

而芯片產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀是同等成本下，芯片性能無法實現(xiàn)每兩年翻一倍，所以英偉達CEO面對用戶抱怨新發(fā)布的GPU價格高昂時，說出了摩爾定律已死。這雖然是英偉達CEO的無奈之言，但也反映了當下芯片依托傳統(tǒng)工藝來提升性能的方式已經(jīng)面臨舉步維艱的現(xiàn)狀。

摩爾定律已死，芯片制程走向物理極限

摩爾定律發(fā)展至今已有50多年。在這50多年間，芯片制造商已經(jīng)使用了各種手段來跟上摩爾定律的步伐，譬如增加更多的核、驅動芯片內(nèi)部的線程，以及利用各種加速器。但還是無法避免摩爾定律的加倍效應已經(jīng)開始放緩的事實，不斷地縮小芯片的尺寸總會有物理極限。

其實，摩爾定律自2000年以來就有放緩的跡象。到2018年，芯片實際性能與摩爾定律的要求間的差距擴大了15倍。目前的行業(yè)預期是，隨著CMOS技術接近基本極限，二者之間的差距將繼續(xù)擴大。

登納德縮放比例定律的側面佐證

支撐摩爾定律另一大定律是羅伯特·登納德(Robert Dennard)的預測，稱為“登納德縮放比例”(Dennard Scaling)。該定律指出，每平方毫米硅的功耗幾乎是恒定的，隨著晶體管密度的增加，每個晶體管的功耗會下降。根據(jù)登納德縮放比例定律，隨著芯片尺寸的縮小，所需的電壓和電流也會下降，芯片產(chǎn)生的功耗也會降低。

然而，Dennard Scaling在2007年開始顯著放緩，到2012年左右接近失效，登納德縮放比例定律走到了盡頭。高制程的芯片，意味著晶體管中關鍵部件柵極的長度越來越小，越小的晶體管會使得晶體管漏電現(xiàn)象越來越嚴重，使得芯片在往更小工藝制作時，功耗不減反增，同時也帶來嚴重的散熱問題，晶體管漏電現(xiàn)象徹底打破了登納德縮放比例定律。

以前可以在保持相同功率預算的情況下增加晶體管數(shù)量，但現(xiàn)在晶體管數(shù)量翻倍意味著功耗也翻倍。隨著Dennards Scaling定律的結束，芯片上內(nèi)核數(shù)量的增加意味著功率也在以幾乎相同的速度增長。

一個沒有登納德縮放比例定律，摩爾定律減速的時代，芯片制程提升給芯片性能、節(jié)能帶來的收益將持續(xù)降低。

以手機芯片為例，今年上半年多款采用4nm制程芯片的手機，被用戶吐槽存在發(fā)熱量高和功耗高等方面的問題。而此次涉嫌功耗過熱的3款頂級手機芯片，已均為目前各廠商高端芯片的代表，生產(chǎn)商也是業(yè)界TOP芯片代工制造商。去年年初，5nm芯片就因發(fā)熱問題被頻頻吐槽，如今4nm芯片再度陷入同樣的困境。芯片制程提升帶來的節(jié)能收益不再。

高制程芯片無法成為電子信息行業(yè)節(jié)能降耗的殺手锏

根據(jù)全球電子可持續(xù)發(fā)展倡議組織（Global e-Sustainability Initiative，GeSI)的估算，2020 年全球行業(yè)碳排放占全球碳排放的 2.3%。作為在電子信息行業(yè)中應用廣泛的芯片，能否通過提升制程而帶來整個行業(yè)的大幅節(jié)能降耗呢？

以生活中使用最頻繁的手機為例，高能耗的直接表現(xiàn)就是需要經(jīng)常的充電。手機作為芯片使用大戶，歷來對先進制程芯片的需求都走在芯片產(chǎn)業(yè)的前沿。以iPhone手機用的A系列芯片為例，根據(jù)公開的數(shù)據(jù)，7nm的A12比10nm的A11功耗下降了50%，5nm的A14比7nm的A13功耗下降了30%，4nm的A16比5nm的A15功耗下降了20%?？梢钥吹叫酒牡拇H收益在逐漸減少，由此推測一下，下一代3nm芯片功耗收益會是多少呢？看來想通過制程的提升帶來功耗的大幅下降是不可能了。

另一個例子，日常工作中經(jīng)常用到電子產(chǎn)品——個人電腦。處理器芯片是電腦耗能的主要部分，占到30%以上。從個人電腦處理器兩大豪強Intel和AMD的芯片性能比較來看，10nm英特爾第12代酷睿處理器在性能方面一騎絕塵，i9-12900HX達到了24259，遠遠高于6nm的AMD最強芯片銳龍9 6900HX。并且通過比較兩塊芯片的能效（性能/能耗），可以發(fā)現(xiàn)英特爾的i9-12900HX（能效為194）比AMD的銳龍9 6900HX（能效為156）高24%。所以，處理器的高制程優(yōu)勢無法給PC CPU帶來性能和能效上的領先。

再來看看這幾年的熱門話題——5G基站。在國家雙碳目標的驅動下，運營商和供應商為了給基站節(jié)能可謂是使出了渾身解數(shù)。在眾多的節(jié)能手段中，也有廠家宣稱通過高制程芯片來給基站節(jié)能。但基站跟手機、筆記本電腦還不一樣，基站中最耗電的是將直流電源轉化為高頻電磁波的功率放大器，占整個基站耗電的九成，所以芯片的那點耗電在整個基站中占比很少，芯片升級一代帶來的功耗收益就更少了，估計1%都到不了。所以寄希望于通過使用高制程芯片來給基站大幅節(jié)能，此路不通。

電子信息行業(yè)節(jié)能遠不止提升芯片制程一條路

對于手機，屏幕是耗電大戶，約占到60~80%，業(yè)界已經(jīng)推出LTPO顯示屏，LTPO屏幕技術最低刷新率可以做到1Hz，更低的刷新率會帶來更低的功耗，通過降低刷新率來節(jié)省大量的電量。對于電腦，做好電源管理提升電源效率，就是從源頭上降低能耗的高效辦法。 對于5G基站，據(jù)說影響功放功耗的最關鍵因素是功放效率，現(xiàn)在行業(yè)能力連50%都到不了，提升空間很大，不像芯片制程已臨近極限。

相信，即使摩爾定律死了，即使芯片高制程收益不再，電子信息行業(yè)的節(jié)能降耗依然有其它的康莊大道可以走。

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