论文部分内容阅读
与国际半导体发展蓝图（ITRS）专注于集成电路制造工艺的发展不同，由国际电气电子工程师学会（IEEE）举办的国际固态电路会议（ISSCC）侧重于集成电路应用领域。
说ISSCC是全球最重要的集成电路会议，没有之一，是因为集成电路领域重大的发明，大都选择首先在ISSCC上发布。比如说，全球首个TTL（晶体管—晶体管逻辑）电路、首个1Kb DRAM（动态随机存储器）、首个8位微处理器、首个32位微处理器、首个1Mb DRAM、首个单片GSM接受器、首个GHz处理器、首个多核处理器等。
摩尔定律倒计时
尽管有关摩尔定律失灵的话题在产业界是个经久不衰的话题，但因为发布半导体发展趋势最为权威的ITRS，已经决定今年放弃以前以半导体制造工艺为主线的方法编制半导体发展蓝图，从而让人们感到紧迫感的临近。
去年时值摩尔定律发表50周年。ISSCC特意设立了小型论坛。英特尔在半导体工艺领域的大牛、英特尔高级院士马博，以及台积电、赛灵思、高通等嘉宾应邀讨论“10nm之下摩尔定律的挑战：技术、设计与经济成本”这一主题。与会嘉宾认为，摩尔定律在未来五六年内将会遇到严峻的挑战。
作为全球学术象牙塔最顶尖的学术刊物，《自然》杂志只用了半个月的时间就成了全球的“网红”。从1月28日报道谷歌人工智能AlphaG在围棋人机大战中击败欧洲冠军樊麾，接着是人类首次证实引力波的存在。到了2月9日，《自然》又以ITRS今年采用新的方法编制半导体发展蓝图为由头，公开“唱衰”摩尔定律。该文引用新路线图编制委员会主席陈安（An Chen音译）的话说，当尺寸缩小因为量子效应而难以为继时会发生什么事情，接下来又该怎么办？
显然，陈安还是太乐观了。理论上，当半导体工艺提高到1nm左右时，量子效应确切地说是隧道效应将会显著起来。笔者认为，在半导体工艺远未达到1nm时，就会因为工艺缺陷而失灵。我们知道，铜原子的直径约为0.29nm。英特尔目前承诺的是7nm工艺，相当于23个铜原子的排列宽度。再往下走，当工艺的偏差以1个原子计量时，由于工艺或者半导体衬底材料的纯度所限，缺陷难以避免。在长期高温下，缺陷不断扩散，最终将导致芯片功能失效。
CPU：核数增长放缓、主频提速
撰写数字架构与系统部分的是来自AMD的数字架构与系统分委员会主席史蒂芬·科希策（Stephen Kosonocky）。
他认为，得益于半导体制造技术发展带来的集成度的提高，越来越复杂的系统得以放在单一芯片上，这在成本、功耗和计算能力上带来一系列的好处。这些趋势将为整个计算家族的所有领域带来机会，这包括从用于极低功耗遥测传感应用的SoC（片上系统）、低功耗移动SoC，直到高端的主机和服务器系统。
应该指出的是，史蒂芬·科希策更多地是从芯片角度讨论SoC。如果从系统的层面上看，他疏漏了SoC可以显著提高系统可靠性和降低系统体积这两大好处。因为SoC可以有效地降低系统内芯片的数量，从而显著减少了芯片之间机械连接点，而体积的缩小对于移动应用特别是方兴未艾的物联网应用，是至关重要的。
史蒂芬·科希策表示，得益于并行计算和定制加速器的应用，计算机的性能正在以节能的方式不断提高。这意味着，与传统串行计算相比，在提供更强计算机性能以满足日益增长的用户需求的同时，允许降低处理器的时钟周期。
笔者以为，ISSCC提供的有关处理器内核数和主频的发展统计曲线，2016年的发展趋势似乎并不完全支持史蒂芬·科希策的观点。在处理器平均内核数上，从2001年到2010年，处理器的核数增长迅速，然而从2010年开始，处理器平均核数的增加显著趋缓，到2014年之后，核数平均曲线已经呈水平状。在处理器平均主频上，从1993年到2003年的10年间，主频提升非常快，其中1994年突破100MHz，2001年突破1GHz。但从2005年至2011年平均主频曲线不升反降，直到2012年开始平均主频曲线又开始了新一轮的增长，其增长斜率与上述10年的增长斜率几乎相同。
如果把处理器平均核数曲线与平均主频曲线叠加在一起，就不难看出，主频始自1993年的高速增长，到了2003年撞到了“热障”这堵墙。这促成了多核处理器的发展。而伴随着新一代半导体工艺技术FinFET（鳍式场效应晶体管）在2011年投入商用，因为Fin在制程工艺和低功耗上的优势，主频的增长又取代内核增长，成为提升处理器性能的主因。
需要注意的是，ISSCC仅提供了2016年的处理器平均主频和核数发展趋势，任何要借助于处理器主频增长的平均曲线外延以求未来发展趋势的想法，都要慎重。这是因为摩尔定律的周期会逐渐拉长。更重要的是，SoC已成集成电路大势所趋，FPGA（现场可编程门阵列）已经被集成到处理器芯片上，这意味着原本对计算机系统提升显著的基于FPGA的加速器，得以与处理器内核集成在一个管芯（Die）上，鉴于FPGA可以针对应用实时优化，所以，不远的未来将取代主频，成为处理器性能提升的主力。（相关内容详见本报2015年11月 2日封面报道《软件开始定义处理器》）。应该说，2015年英特尔收购Altera公司，是处理器性能提高新曲线的契机。而处理器核数的变化，应该保持现有的趋势。
节能成为亮点
节能无疑是今年处理器领域亮点。史蒂芬·科希策认为，韩国科学研究院（KAIST）展示了可用于不同领域的深度学习处理器系列，比如说为头戴设备/增强现实（AR/HMD）用户的自然界面和用户体验（UI/UX）、汽车驾驶的助手、微型机器人的自主导航等。在这类处理器中，低功耗是不可或缺的。如低功耗的自然界面和用户体验处理器，采用65nm CMOS工艺，它比市场上最新的头戴设备处理器节能效率高出56.5%，而且比市场上最好的模式识别处理器的识别率高出约2%。
此外，麻省理工学院也在基于65nm工艺设计一种低功耗的深度卷积神经网络（CNN）加速器，该测试芯片展示了一个由168个处理单元构成的可重新定义的片上网络。
至于说到黑科技，史蒂芬·科希策认为，是基于可编程与固定功能的IP模块（特指具有知识产权的集成电路功能模块）混合的SoC，这两种功能模块可以智能地根据应用的需求参与运算。这种黑科技尤其会出现在用于智能手机的应用处理器领域。
说ISSCC是全球最重要的集成电路会议，没有之一，是因为集成电路领域重大的发明，大都选择首先在ISSCC上发布。比如说，全球首个TTL（晶体管—晶体管逻辑）电路、首个1Kb DRAM（动态随机存储器）、首个8位微处理器、首个32位微处理器、首个1Mb DRAM、首个单片GSM接受器、首个GHz处理器、首个多核处理器等。
摩尔定律倒计时
尽管有关摩尔定律失灵的话题在产业界是个经久不衰的话题，但因为发布半导体发展趋势最为权威的ITRS，已经决定今年放弃以前以半导体制造工艺为主线的方法编制半导体发展蓝图，从而让人们感到紧迫感的临近。
去年时值摩尔定律发表50周年。ISSCC特意设立了小型论坛。英特尔在半导体工艺领域的大牛、英特尔高级院士马博，以及台积电、赛灵思、高通等嘉宾应邀讨论“10nm之下摩尔定律的挑战：技术、设计与经济成本”这一主题。与会嘉宾认为，摩尔定律在未来五六年内将会遇到严峻的挑战。
作为全球学术象牙塔最顶尖的学术刊物，《自然》杂志只用了半个月的时间就成了全球的“网红”。从1月28日报道谷歌人工智能AlphaG在围棋人机大战中击败欧洲冠军樊麾，接着是人类首次证实引力波的存在。到了2月9日，《自然》又以ITRS今年采用新的方法编制半导体发展蓝图为由头，公开“唱衰”摩尔定律。该文引用新路线图编制委员会主席陈安（An Chen音译）的话说，当尺寸缩小因为量子效应而难以为继时会发生什么事情，接下来又该怎么办？
显然，陈安还是太乐观了。理论上，当半导体工艺提高到1nm左右时，量子效应确切地说是隧道效应将会显著起来。笔者认为，在半导体工艺远未达到1nm时，就会因为工艺缺陷而失灵。我们知道，铜原子的直径约为0.29nm。英特尔目前承诺的是7nm工艺，相当于23个铜原子的排列宽度。再往下走，当工艺的偏差以1个原子计量时，由于工艺或者半导体衬底材料的纯度所限，缺陷难以避免。在长期高温下，缺陷不断扩散，最终将导致芯片功能失效。
CPU：核数增长放缓、主频提速
撰写数字架构与系统部分的是来自AMD的数字架构与系统分委员会主席史蒂芬·科希策（Stephen Kosonocky）。
他认为，得益于半导体制造技术发展带来的集成度的提高，越来越复杂的系统得以放在单一芯片上，这在成本、功耗和计算能力上带来一系列的好处。这些趋势将为整个计算家族的所有领域带来机会，这包括从用于极低功耗遥测传感应用的SoC（片上系统）、低功耗移动SoC，直到高端的主机和服务器系统。
应该指出的是，史蒂芬·科希策更多地是从芯片角度讨论SoC。如果从系统的层面上看，他疏漏了SoC可以显著提高系统可靠性和降低系统体积这两大好处。因为SoC可以有效地降低系统内芯片的数量，从而显著减少了芯片之间机械连接点，而体积的缩小对于移动应用特别是方兴未艾的物联网应用，是至关重要的。
史蒂芬·科希策表示，得益于并行计算和定制加速器的应用，计算机的性能正在以节能的方式不断提高。这意味着，与传统串行计算相比，在提供更强计算机性能以满足日益增长的用户需求的同时，允许降低处理器的时钟周期。
笔者以为，ISSCC提供的有关处理器内核数和主频的发展统计曲线，2016年的发展趋势似乎并不完全支持史蒂芬·科希策的观点。在处理器平均内核数上，从2001年到2010年，处理器的核数增长迅速，然而从2010年开始，处理器平均核数的增加显著趋缓，到2014年之后，核数平均曲线已经呈水平状。在处理器平均主频上，从1993年到2003年的10年间，主频提升非常快，其中1994年突破100MHz，2001年突破1GHz。但从2005年至2011年平均主频曲线不升反降，直到2012年开始平均主频曲线又开始了新一轮的增长，其增长斜率与上述10年的增长斜率几乎相同。
如果把处理器平均核数曲线与平均主频曲线叠加在一起，就不难看出，主频始自1993年的高速增长，到了2003年撞到了“热障”这堵墙。这促成了多核处理器的发展。而伴随着新一代半导体工艺技术FinFET（鳍式场效应晶体管）在2011年投入商用，因为Fin在制程工艺和低功耗上的优势，主频的增长又取代内核增长，成为提升处理器性能的主因。
需要注意的是，ISSCC仅提供了2016年的处理器平均主频和核数发展趋势，任何要借助于处理器主频增长的平均曲线外延以求未来发展趋势的想法，都要慎重。这是因为摩尔定律的周期会逐渐拉长。更重要的是，SoC已成集成电路大势所趋，FPGA（现场可编程门阵列）已经被集成到处理器芯片上，这意味着原本对计算机系统提升显著的基于FPGA的加速器，得以与处理器内核集成在一个管芯（Die）上，鉴于FPGA可以针对应用实时优化，所以，不远的未来将取代主频，成为处理器性能提升的主力。（相关内容详见本报2015年11月 2日封面报道《软件开始定义处理器》）。应该说，2015年英特尔收购Altera公司，是处理器性能提高新曲线的契机。而处理器核数的变化，应该保持现有的趋势。
节能成为亮点
节能无疑是今年处理器领域亮点。史蒂芬·科希策认为，韩国科学研究院（KAIST）展示了可用于不同领域的深度学习处理器系列，比如说为头戴设备/增强现实（AR/HMD）用户的自然界面和用户体验（UI/UX）、汽车驾驶的助手、微型机器人的自主导航等。在这类处理器中，低功耗是不可或缺的。如低功耗的自然界面和用户体验处理器，采用65nm CMOS工艺，它比市场上最新的头戴设备处理器节能效率高出56.5%，而且比市场上最好的模式识别处理器的识别率高出约2%。
此外，麻省理工学院也在基于65nm工艺设计一种低功耗的深度卷积神经网络（CNN）加速器，该测试芯片展示了一个由168个处理单元构成的可重新定义的片上网络。
至于说到黑科技，史蒂芬·科希策认为，是基于可编程与固定功能的IP模块（特指具有知识产权的集成电路功能模块）混合的SoC，这两种功能模块可以智能地根据应用的需求参与运算。这种黑科技尤其会出现在用于智能手机的应用处理器领域。