只有摩爾定律不夠,「Dennard 縮放比例定律」才是晶片性能的提升關鍵!但它正在失效……

【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。

更多關於摩爾定律的 特別報導

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?

2019 未來科技展,帶你了解台灣半導體製程與材料戰略創新!
《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

更多關於晶片的消息

工程師別惹怒數學家!25 年前,「布朗常數」讓英特爾賠 145 億台幣
張忠謀談摩爾定律:沒人知道它何時終結,現在有 3 項技術正在發展
有望成為 5G 主流,讓晶片「超越摩爾定律」的關鍵技術:SiP 封裝


摩爾定律會被改寫嗎?

半導體關鍵一戰開打在即,台灣如何佈局國際分工優勢? 馬上報名 12/8《2019 未來科技展 》半導體論壇

點關鍵字看更多相關文章: