【為什麼我們要挑選這篇文章】「摩爾定律是否失效」一直是半導體產業的熱門議題，但未來限制晶片性能發展的不是晶體密度，而是功耗和散熱問題，背後的原因，在於 Dennard 縮放比例定律的失效。
Dennard 縮放比例定律是什麼？半導體產業該如何處理功耗的限制，讓晶片性能再提升？（責任編輯：郭家宏）
關於摩爾定律，一直有兩種聲音：一是認為今後整合電路上的元件數量，每年只會增加幾個百分點，「摩爾定律已死」；另一種則認為新的技術不斷發展，摩爾定律會繼續有效。
一家名叫 Datagraph 的機構，前段時間也製作了一個影片，希望探究摩爾定律 vs. CPU/GPU 發展的進程。
然而 10 月在矽谷舉行的，有關當下和未來晶片技術的討論會卻得出一個結論：摩爾定律並不是目前晶片製造商需要考慮的首要問題，以後擋住摩爾定律腳步的，可能是功耗和散熱問題。
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史丹佛大學名譽校長、谷歌董事長兼 MIPS 電腦系統創始人 John Hennessy 說：「摩爾定律不是法則，而是一個志向，是一個目標，是值得一試的東西。」
他說到：「它肯定在放緩，但要說摩爾定律已死還為時過早。」
然而目前他最擔憂的不是摩爾定律的放緩。Hennessy 補充道，真正的問題在於 Dennard 縮放比例定律的失效。
Dennard 縮放比例定律失效，導致晶片性能的提升放緩
Dennard 縮放比例定律是基於 1974 年 Robert H. Dennard 參與完成的一篇論文而提出的一個定律。
Dennard 縮放比例定律（Dennard scaling）表明，電晶體變得越來越小，但它們的功率密度保持不變，因此功率的消耗與面積成反比，電壓和電流則與長度成反比。（相關介紹）
Dennard 發現，電晶體的尺寸在每一代技術中都縮小了 30%（0.7 倍），因此它們的面積減少了 50% ，這意味著電路減少了 30%（0.7 倍）的延遲，因此增加了約 40% （1.4 倍）的工作頻率。最後，為了保持電場恆定，電壓降低了 30% ，能量降低了 65% ，功率降低了 50% 。因此，在每一代技術中，晶體管密度增加一倍，電路速度提高 40% ，功耗（晶體管數量增加一倍）保持不變。
結合「摩爾定律」電晶體的數量大約每兩年翻一倍，這意味著效能功耗比（每消耗一瓦功率，電腦可提供的計算速率）以同樣的速度成長，大約每兩年翻一倍。這種趨勢被稱為庫米定律（Koomey’s law）。庫米最初提出的倍增速率是 1.57 年（比摩爾定律的倍增週期稍快），但最近的估計表明這一速度正在放緩。
自 2005 到 2007 年前後，Dennard 縮放比例定律似乎已經失效。截至 2016年，整合電路中的電晶體數量仍在跟隨「摩爾定律」增加，但由此帶來的性能改善卻更為緩慢。這種情況的主要原因是在晶片尺寸不變，晶體管數量變多的情況下，電流洩漏會帶來更大的挑戰，也會導致晶片升溫，從而造成熱失控的威脅，從而進一步增加能源成本。
Dennard 縮放比例失效，晶片性能成長放緩，半導體廠該如何創新突破？
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《點我報名》
「專業化」或許可解決微處理器的功耗問題
在門洛帕克（Menlo Park）舉辦的丘吉爾俱樂部論壇上，Hennessy 說：「誰能想到，微處理器將不得不降低時鐘速度或關閉部分內核以避免燒壞呢？」
Hennessy 說的是目前的普遍情況。
Dennard 縮放比例定律的失效，以及由此導致的無法顯著提高時鐘頻率，已經導致大多數 CPU 製造商將重點放在多核處理器上，以此作為提高性能的一種替代方法。
增加內核數量有利於提高（雖然並非完全）工作負載，但是由於擁有多個核心而增加的活動開關元件，仍然會導致整體功耗增加，因而加劇 CPU 功耗問題。最終的結果是，在不違反功率約束的情況下，一個整合電路中只有一小部分能夠在一定時間處於實際有效狀態。其餘的（不活躍的）區域稱為暗矽。
微處理器的功耗問題也是 Arm TechCon 2019 大會上的一個熱門話題。
Facebook 的矽與技術工程負責人 Sha Rabii 表示，微處理器的功耗問題以及晶片的散熱問題，是 AR 眼鏡製造的一個主要障礙。
如何解決這個問題呢？一些資深人士說道，答案可能就是專業化（Specialization）。
「要嘛我們繼續走老路，製造更快的 CPU，然後讓軟體來處理一切事務；要嘛我們將它看成是一個系統性問題，然後換條路走走，」梅菲爾德基金會（the Mayfield Fund）常務董事 Navin Chaddha 說道，「我相信世界正在走向專業化，而不是專注於每 18 到 24 個月讓晶片處理能力提高一倍。」
最近湧現的一批新創公司專門生產用於深度學習的處理器，例如 Cerebras Systems、Mythic 和 Syntiant 就很好地體現了這種專業化思維，儘管時下專業化的作用可能有限。（相關連結）
Arm Holdings 首席執行官 Simon Segars 大致同意 Chaddha 的觀點。Segars 在大會上宣佈，該公司將首次允許開發人員在 ARM 晶片核心中插入自定義指令，從而使演算法的處理效率更高。對於一直專注於標準化產品生產的公司而言，其允許晶片一定程度專業化的措施已是一大進步。（相關連結）
（本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載，並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題，原文標題為〈晶体管逐渐变小，Dennard定律比摩尔定律更值得关注，散热和功耗推动芯片专业化〉。首圖來源：大數據文摘）
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