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论摩尔定律和技术范式

吕乃基 雍歌

摩尔定律是IT领域的重要定律,左右相关行业半个世纪。一些日子以来,摩尔定律行将失效之说一直不绝于耳。本文先试图对种种失效之说进行梳理,其次以摩尔定律为例分析技术范式的特点和作用。

一、摩尔定律失效与否

1.技术层面

19654Intel公司的创建者之一,戈登·摩尔在《电子》杂志上预测未来集成电路发展趋势,硅晶元每平方英寸所能容纳的晶体管数量每12个月将增加一倍,这就是摩尔定律的前身。1975年,摩尔将翻番的时间从一年调整为两年。后来更准确的时间是半导体上的集成度每18个月提高一倍。这就是摩尔定律。

人类对宇宙、粒子物理学、生命以及大脑的认识在几个月内就有可能发生变化,但摩尔定律却在过去将近半个世纪的岁月中屡试不爽,引领半导体业的发展。

在这个过程中,摩尔定律曾一再受到人们的怀疑、否定,多少次、多少人试图通过各种方法来计算出摩尔定律的极限,但每一次摩尔定律的极限都被新技术、新工艺打破。寻找并突破摩尔定律极限的过程同时也就成为半导体发展的过程。

50多年来,摩尔定律之所以成立的原因之一,是基于技术和社会经济方面的需求。如果相同面积能集成更多的晶体管,那么芯片的成本就会降低,完成的功能就会越多;同时根据理论计算,芯片上晶体管的尺寸越小,工作频率就越高,速度越快,功耗越小。

另一个原因是,随着社会需求的不断提高,一个芯片上所要求的功能越来越复杂,因此,一块芯片上要集成的晶体管也越来越多,如果不缩小晶体管的尺寸,则芯片的面积会变得越来越大。

由于在硅单晶制造过程中,不可避免地会在硅的晶格中引入一些缺陷,因此,芯片面积越大,遇到这些缺陷的可能性也就越大。

另外,芯片面积大了以后,由于应力作用,会给封装和器件本身的可靠性带来很大的负面影响。这就是为什么要缩小晶体管尺寸和芯片面积的原因。

然而小有小的难处,快有快的难处。摩尔定律目前正面临难以甚至不可逾越的障碍。这些障碍同样可以归为技术自身和社会两方面。技术自身的障碍主要有漏电、功耗、散热和隧道效应等。

此外,配套技术主要是光刻技术的发展也制约摩尔定律。

2. 经济和社会层面

谁来托起平台,谁来拉动平台,也就是谁来做,谁来用。

前者主要包含经济、设计和检验。即使不计货币价值的变化,但生产线成本仍然大约每4年就会增加一倍。有趣的是,没有考虑成本上升的摩尔,想到了收入:“很显然,企业不可能长期实现‘每年翻一番’的增长目标。否则最终结果是很荒谬的,如果那样,仅来自半导体业的收入就相当于全球的国内生产总值。”

如果按照摩尔定律的发展,每十八个月就必须对生产工艺进行一次升级,这将耗费大量资金,并且会出现这样一个现象:当一条生产线的利润刚达到最大时就必须对它进行升级。这样为了摊薄耗资不菲的生产设施投资就必须生产更多的芯片,这就会导致单片芯片利润的降低。

当半导体芯片的市场容量已经不足以获得丰厚回报甚至难以摊薄生产投资时,摩尔定律就会被半导体产业所抛弃。

芯片预验证复杂化也使摩尔定律举步维艰。人们之间交流失误造成的错误几率也在迅速增加。

后者是谁来消费。超越需求的创新将不可持续。格林斯潘曾表示:我们不再需要重大创新,只要将已有的高科技产品好好使用起来,未来10年内,就能确保生产率年均增长3%。不知格老为何不把这一思想贯彻到金融领域。

工程院院士许居衍曾发表过类似的观点:摩尔定律所进行的是强迫技术升级,并没有将产品按照需求进行升值,反而以每年将近32%的速度按照CPU位数的提升出现贬值。芯片的集成度和性能提高了,但芯片功能的使用效率反而降低了。这样的升级换代并不是科技进步的规律,多数是强迫性的技术升级,迫使许多产品在应用上还没有得到充分的利用就已经直接消失。应用是主导科技发展的原动力,而摩尔定律忽视了这一点。

二、摩尔定律功过

1.

摩尔定律是技术自身发展的产物,在初期的一段时期和一定程度上引领了相关领域技术的发展。

各派技术创新理论和SST(社会塑造技术)等都关注各种因素如何影响技术创新的动力和路径。G.多西提出技术范式技术轨道理论,认为技术轨道不仅是各种因素影响的结果,反过来也对经济社会产生技术限定。

技术范式是人们解决技术问题时所依据的一定的技术期望、工艺知识、现有技术水平及资源利用模式等,它规定着技术的领域、问题、程序和任务,具有强烈的“排他性”。

技术范式界定了将要满足的需要,用于解决问题的科学原理,是解决所选择的技术经济问题的一种模式。

技术范式规定了进一步创新的技术机会和如何利用这些机会的基本程序。

一旦规定出技术、经济量纲,技术就在对这些量纲的多维权衡的改进中发展,从而表现出方向性。

在一定意义上,摩尔定律就是这样的范式。

技术范式具有认识功能,为科技人员的智力活动提供了思想框架或环境气氛,影响观察事物和解决问题的方式,指导技术人员应该及不应该做什么,以及怎样做。例如,要解决“电信号的放大和开关”问题,技术范式会引导人们选用半导体作为材料,利用半导体的物理和化学特性,在范式所规定了的技术经济量纲中权衡(如:电流密度、速度、噪声消除、弥散,频率范围,单位成本等等)。

技术范式具有纲领功能。一是它形成一种信念,例如在摩尔定律的感召下吸引了一批坚定的拥护者;二是在甚至较长的一段时期内,如摩尔定律奏效的50余年,为其拥护者留下各种有待解决的问题,而且提供了解决这些问题的途径。

范式不仅对个人的心理或知觉有定向作用,而且对共同体的工作也有定向作用,限定了工作的范围。正是有了这种限制,工作才得以细致深入。科技人员可以将精力聚焦于解难题活动上,不必为没有解的问题浪费时间。摩尔定律在新材料、新结构的支撑下度过了一次次难关。新材料减少漏电的能力提高100多倍,也在一定程度上解决了功耗问题。

技术范式具有社会功能。在范式的感召之下形成了共同体。不仅是科学家和工程师,投资商也坚信摩尔定律是正确的,再加上半导体作为高科技产业本身具有的高附加值特点,他们完全有把握在最短的时间内,依靠微电子器件性能和规模的指数增长,来获得最大的利益。

如果没有摩尔定律作为依据,有几人敢在瞬息万变的半导体行业内作出如此高风险、巨额的投资?而他们在获得成功、成为摩尔定律受益者的同时,也最大限度的维持了摩尔定律的正确性。

技术轨道(由范式所确定的“常规”解题活动)就是在范式所确定的各种技术变量间进行的多维权衡活动。一种技术轨道包含了一批可能的技术发展方向。工程师以及工程师所在的组织,他们的工作和技术思考,都集中在明确的方向上,对其他的技术可能性产生排斥性选择。技术范式界定技术轨道的发展方向,给出技术轨道进行多维权衡所依据的技术经济量纲集合。这个集合规定了技术轨道发展方向的可能性空间。而所谓“技术进步”就是对这些量纲的权衡的改进。

在量纲的可能性空间内,技术轨道具有连续性。如果把处于由多种技术、经济量纲所确定的一种多维空间中的技术轨道类比为三维空间中的“圆柱体”,那么圆柱体的边缘由技术范式本身的性质所确定,而其高度则对应着技术轨道的可延续性。一次次提出摩尔定律的极限,而一次次都被新技术、新工艺打破。其原因就是范式在“圆柱体”内的引导作用。

已故斯坦福教授张首晟的研究成果表明,以石墨烯做芯片,可以使得电子能够真正在芯片的层次上各行其道而互不干扰。同时,它也可以作为一个非常好的热电材料,能够把废热变为电能。文章的题目“摩尔定理的危机与人工智能新时代”,表明了摩尔定律作为技术范式,依然具有生命力。

当沿某个技术途径前进达到其有关技术和经济量纲的最高水平时,即可定义为“技术前沿”。而到达该量纲的极限,则必须“跳跃”到新的技术轨道

Intel将摩尔定律作为一种哲理、一种理念,当作企业文化、精神因素和奋斗动力,由此对Intel公司的创新、发展与维持其优良的竞争势头与骄人地位产生根本影响。几十年来,他们坚信自己有能力制造出更强大的芯片。这样的决心和人为的战略部署在某种程度上影响了摩尔定律本身。

五十年来,这个经验定律反过来指挥半导体业的发展,使之向更有序、更有计划的方向前进。摩尔定律也成为半导体领域里不可替代的第一定律,并在一定程度上带动了其他产业的发展。

成功的技术范式还对其他技术领域具有示范功能

如果把半导体领域里的摩尔定律称为“狭义摩尔定律”,其他学科中存在的倍增关系则可称为“广义摩尔定律”,假如有一天半导体硅技术被其它更先进的技术所取代,“狭义摩尔定律”可能消失,而“广义摩尔定律”将长期存在。摩尔定律的扩展不仅在广度,而且在延续的时间上。随着光学计算、生物计算、量子计算以及分子计算技术等的相继兴起,摩尔定律有可能从终点再踏上另一个起点。

在此意义上,要接受并融入胸中的已不再是摩尔定律本身,而是其中所隐含、所揭示和被赋予的精神。摩尔定律提倡的“更快、更小、更便宜”理念,正与人类奥林匹克精神“更快、更高、更强”不谋而合,摩尔定律已超出技术领域而成为人类精神宝库的一部分。

从根本上说,摩尔定律作为技术范式,既具有客观性又具有主观性。前者意为不违背客观规律,这就是前述“圆柱体”的高度;后者则表明范式与人和社会的相互作用。范式引导和规范人的行为,而被规范的人的行为又反过来造就了范式。有些技术范式具有普遍的价值,其蕴涵的精神甚至领域上升为人类的精神。

2.

首先,所谓“范式”,往往是一种隐性知识,模糊的范式导致模糊的表达和规范,但不僵化,留有更大变通和发展的余地,譬如库恩的范式。而摩尔定律可以说差不多就是惟一一条,可以清晰表述而作为编码知识的技术范式。摩尔定律的指导是明确的,甚至是命令式的,企业和工程师的目标一目了然,但易于走向僵化,遮蔽了“圆柱体”外的景象,甚至在“圆柱体”走到尽头仍执迷不悟(由此还可以想起拉卡托斯的“内核”与“保护带”)。

在某种程度上,摩尔定律成为一种盲目的力量,企业对它关注得愈多就愈危险,投入的愈多就愈不能从它的困惑中走出来,骑虎难下。在市场盲目的追捧下,迫使半导体商一次次地遵循摩尔定律,生产出更先进的产品。“我们离破产永远只有18个月”,比尔•盖茨的这句名言正是对摩尔定律“统治权”的最好诠释。由此可以清楚地看到海德格尔所言的“促逼”。摩尔本人也曾表示过,即使在芯片业,摩尔定律也不可能始终起着积极作用。

其次,摩尔定律的内容在某种意义上带有机械论的印记。能在一块芯片上做得更多些吗?在这一点上,摩尔定律类似于在研究量子阶梯的更低层次中,机械的“一分为二”;也类似于计算机曾经一味地发展巨型机。

在此意义上,摩尔定律单一的指向与之可以说是两极相通。这里不是说巨型机不要做,实际上已经做出更大的巨型机,也不是反对更快更小更便宜,而是表明不要将其作为惟一的目标。

在某种意义上,摩尔定律正在成为英特尔,乃至整个半导体产业的"第一符咒"。正如当年在巨型机路线的反面出现PC机,从而开拓了计算机发展的新途径,那么摩尔定律的思路也有待开拓和突破。毕竟除了更快和更小外,人类还有更重要和根本的需要。此外,摩尔定律还没有考虑到成本。

广义地说,在一种范式或轨道下形成的知识和惯例往往构成向另一种范式或轨道转换的阻力。一般地说,从一个技术轨道转向另一个技术轨道,特别当原有技术轨道力量很强时,是比较困难的。而那些没有传统负担的活动主体反而能较容易地接受新范式,建立新轨道。在此意义上,摩尔定律只是在技术的进化树上两次分岔间的必然阶段。分岔点的来临将为技术的跨越式发展提供机会。

摩尔定律之过警示,任何技术范式都有其缺陷、局限和负面影响。缺陷来源于其先天不足及概括抽象过程中本身固有的问题;局限是任何科学原理和技术设计都有其适用的范围;而负面影响则是对人的限定,排他性遮蔽人的视野,技术范式的命令构成了对人的促逼。

人在技术的发展中提出了范式,有必要正确地认识范式、应用范式、超越范式,以及创造新的范式。


本文主要在与2004年东南大学无锡华润机电一体化和微电子工程研究生班讨论的基础上写成,本人对学员们表示感谢!东南大学时龙兴教授对文中涉及的技术问题作了审阅和修改,作者致以衷心的谢意!

限于资料和篇幅,本文仅讨论摩尔定律提出后的影响。实际上,怎么会有摩尔定律或许是更大的谜团:在技术的和社会的、历史沿袭和需求拉动、必然影响和偶然因素,在众多方面的非线性作用下何以,以及竟然得出近乎线性的摩尔定律?



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