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    摩爾定律已死,電子信息行業節能何去何從?

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

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

    而芯片產業的現狀是同等成本下,芯片性能無法實現每兩年翻一倍,所以英偉達CEO面對用戶抱怨新發布的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工藝來提升性能的方式已經面臨舉步維艱的現狀。

    摩爾定律已死,芯片制程走向物理極限

    摩爾定律發展至今已有50多年。在這50多年間,芯片制造商已經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。目前的行業預期是,隨著CMOS技術接近基本極限,二者之間的差距將繼續擴大。

    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量,但現在晶體管數量翻倍意味著功耗也翻倍。隨著Dennards Scaling定律的結束,芯片上內核數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、節能帶來的收益將持續降低。

    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,生產商也是業界TOP芯片代工制造商。去年年初,5nm芯片就因發熱問題被頻頻吐槽,如今4nm芯片再度陷入同樣的困境。芯片制程提升帶來的節能收益不再。

    高制程芯片無法成為電子信息行業節能降耗的殺手锏

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

    以生活中使用最頻繁的手機為例,高能耗的直接表現就是需要經常的充電。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業的前沿。以iPhone手機用的A系列芯片為例,根據公開的數據,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,日常工作中經常用到電子產品——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),可以發現英特爾的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能可謂是使出了渾身解數。在眾多的節能手段中,也有廠家宣稱通過高制程芯片來給基站節能。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能,此路不通。

    電子信息行業節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%,業界已經推出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,據說影響功放功耗的最關鍵因素是功放效率,現在行業能力連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,電子信息行業的節能降耗依然有其它的康莊大道可以走。


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