摩尔定律已死,电子信息行业节能何去何从?

近日,英伟达CEO黄仁勋在一场新闻发布会回答媒体提问时表示,摩尔定律已经死亡。他认为:"Moore's law is dead. It's completely over.”

在半导体行业,摩尔定律的大名无人不知无人不晓。摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈,其核心内容为:集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。

而芯片产业的现状是同等成本下,芯片性能无法实现每两年翻一倍,所以英伟达CEO面对用户抱怨新发布的GPU价格高昂时,说出了摩尔定律已死。这虽然是英伟达CEO的无奈之言,但也反映了当下芯片依托传统工艺来提升性能的方式已经面临举步维艰的现状。

摩尔定律已死,芯片制程走向物理极限

摩尔定律发展至今已有50多年。在这50多年间,芯片制造商已经使用了各种手段来跟上摩尔定律的步伐,譬如增加更多的核、驱动芯片内部的线程,以及利用各种加速器。但还是无法避免摩尔定律的加倍效应已经开始放缓的事实,不断地缩小芯片的尺寸总会有物理极限。

其实,摩尔定律自2000年以来就有放缓的迹象。到2018年,芯片实际性能与摩尔定律的要求间的差距扩大了15倍。目前的行业预期是,随着CMOS技术接近基本极限,二者之间的差距将继续扩大。

登纳德缩放比例定律的侧面佐证

支撑摩尔定律另一大定律是罗伯特·登纳德(Robert Dennard)的预测,称为“登纳德缩放比例”(Dennard Scaling)。该定律指出,每平方毫米硅的功耗几乎是恒定的,随着晶体管密度的增加,每个晶体管的功耗会下降。根据登纳德缩放比例定律,随着芯片尺寸的缩小,所需的电压和电流也会下降,芯片产生的功耗也会降低。

然而,Dennard Scaling在2007年开始显著放缓,到2012年左右接近失效,登纳德缩放比例定律走到了尽头。高制程的芯片,意味着晶体管中关键部件栅极的长度越来越小,越小的晶体管会使得晶体管漏电现象越来越严重,使得芯片在往更小工艺制作时,功耗不减反增,同时也带来严重的散热问题,晶体管漏电现象彻底打破了登纳德缩放比例定律。

以前可以在保持相同功率预算的情况下增加晶体管数量,但现在晶体管数量翻倍意味着功耗也翻倍。随着Dennards Scaling定律的结束,芯片上内核数量的增加意味着功率也在以几乎相同的速度增长。

一个没有登纳德缩放比例定律,摩尔定律减速的时代,芯片制程提升给芯片性能、节能带来的收益将持续降低。

以手机芯片为例,今年上半年多款采用4nm制程芯片的手机,被用户吐槽存在发热量高和功耗高等方面的问题。而此次涉嫌功耗过热的3款顶级手机芯片,已均为目前各厂商高端芯片的代表,生产商也是业界TOP芯片代工制造商。去年年初,5nm芯片就因发热问题被频频吐槽,如今4nm芯片再度陷入同样的困境。芯片制程提升带来的节能收益不再。

高制程芯片无法成为电子信息行业节能降耗的杀手锏

根据全球电子可持续发展倡议组织(Global e-Sustainability Initiative,GeSI)的估算,2020 年全球行业碳排放占全球碳排放的 2.3%。作为在电子信息行业中应用广泛的芯片,能否通过提升制程而带来整个行业的大幅节能降耗呢?

以生活中使用最频繁的手机为例,高能耗的直接表现就是需要经常的充电。手机作为芯片使用大户,历来对先进制程芯片的需求都走在芯片产业的前沿。以iPhone手机用的A系列芯片为例,根据公开的数据,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%。可以看到芯片功耗的代际收益在逐渐减少,由此推测一下,下一代3nm芯片功耗收益会是多少呢?看来想通过制程的提升带来功耗的大幅下降是不可能了。

另一个例子,日常工作中经常用到电子产品——个人电脑。处理器芯片是电脑耗能的主要部分,占到30%以上。从个人电脑处理器两大豪强Intel和AMD的芯片性能比较来看,10nm英特尔第12代酷睿处理器在性能方面一骑绝尘,i9-12900HX达到了24259,远远高于6nm的AMD最强芯片锐龙9 6900HX。并且通过比较两块芯片的能效(性能/能耗),可以发现英特尔的i9-12900HX(能效为194)比AMD的锐龙9 6900HX(能效为156)高24%。所以,处理器的高制程优势无法给PC CPU带来性能和能效上的领先。

再来看看这几年的热门话题——5G基站。在国家双碳目标的驱动下,运营商和供应商为了给基站节能可谓是使出了浑身解数。在众多的节能手段中,也有厂家宣称通过高制程芯片来给基站节能。但基站跟手机、笔记本电脑还不一样,基站中最耗电的是将直流电源转化为高频电磁波的功率放大器,占整个基站耗电的九成,所以芯片的那点耗电在整个基站中占比很少,芯片升级一代带来的功耗收益就更少了,估计1%都到不了。所以寄希望于通过使用高制程芯片来给基站大幅节能,此路不通。

电子信息行业节能远不止提升芯片制程一条路

对于手机,屏幕是耗电大户,约占到60~80%,业界已经推出LTPO显示屏,LTPO屏幕技术最低刷新率可以做到1Hz,更低的刷新率会带来更低的功耗,通过降低刷新率来节省大量的电量。对于电脑,做好电源管理提升电源效率,就是从源头上降低能耗的高效办法。 对于5G基站,据说影响功放功耗的最关键因素是功放效率,现在行业能力连50%都到不了,提升空间很大,不像芯片制程已临近极限。

相信,即使摩尔定律死了,即使芯片高制程收益不再,电子信息行业的节能降耗依然有其它的康庄大道可以走。


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