芯片设计挑战:小芯片高能耗

 

　　近几十年来，芯片设计师设法将更多更细小的晶体管集中在一块硅片上，使计算机性能以惊人的速度不断提升：单块硅片的晶体管数平均每两年增加一倍，个人电脑、笔记本和智能手机功能不断增强、价格日益低廉。

　　发展遇阻：小芯片高能耗

　　但是，现在研究者担心这样高速发展将达到极限。问题并不在于设计师能否在芯片上安装更多晶体管他们一定可以做到问题在于，所有电子管工作时能耗巨大，就像一座城市不能为其整个街灯系统供电。同时，它们还会过热。

　　结果可能是，迷恋新玩意儿的人，虽早已习惯了零售商对新产品夸张的鼓噪，也不得不接受现实：新一代电子产品只是略有改进，而非速度飞涨、价格跌落、更趋完美。

　　简单地说，下一个热门产品，也许要等更长的时间才会出现。

　　“确实，如果只是沿用以前的处理器，做规模上的缩放，将无法再取得进步，”图形处理器制造商英伟达的首席科学家兼斯坦福计算机科学教授威廉·J·戴利说，“如今再想取得进步，需要真正的创新。”

　　6月召开的国际计算机体系结构会议上的一篇论文总结了这一问题：如今，高端的微处理器芯片负载了太多晶体管，难以为他们同时供电。因此，一些晶体管只能处于断电状态行业术语称为暗态同时其他的电子管则处于工作状态。这一现象被称为暗硅。

　　论文作者介绍，最早在明年，这些先进的芯片中，在任一时间都将必须有21%的晶体管处于暗态。再经历约三代芯片即50余年后，这一限制将更为严峻。芯片上将有更多的晶体管，但其中多达一半将不得不处于暗态以避免过热。

　　“我认为芯片倒不会熔化，像液体一样在电路板上流淌，那太夸张了，”论文作者之一、微软研究院计算机科学家道格·伯格在电子邮件中写到，“但你会得到错误的结果，最终电路的一些部分将熔接在一起，使芯片不可修复。”

　　这一问题有可能冲击计算机界几十年来一直成立的定律：摩尔定律。这一定律由英特尔的创始人之一戈登·摩尔提出，他认为集成电路芯片可容纳晶体管的数目约每两年增长一倍，从而使消费型电子产品性能突飞猛进。

　　如果发展速度放缓，人们认为理所当然的一些革新将不会出现，或者出现速度变慢。以后将没有新型的个人电脑、智能手机、液晶电视、MP3播放器，或是任何能够迅速创造价值几十亿的产业和几千工作岗位的产品。

　　在论文中，伯格博士及其合作者模拟了150多个常用微处理器耗电情况，预计到2024年计算速度平均将仅增长7.9倍。相比之下，如果没有电子管性能方面的限制，最大的增速可能会达到47倍。

　　但一些科学家持不同意见，认为只要新的创意和设计不断涌现，保持计算机行业快速发展，上述局面将不会出现。例如，英伟达的戴利博士就对未来芯片设计保持乐观态度。

　　“好消息是，原有的设计确实低效，为改进留下充足的空间。”他说。但一些与其研究无关的专家认为，伯格博士和来自德克萨斯大学、华盛顿大学和威斯康星大学的其他作者，准确指出了一个真正的问题。

　　英特尔实验室研究员谢加·Y·伯卡博士认为伯格的分析正中要害，但他补充说：“他的结论与我略有不同。也许未来无法重现过去的辉煌，但也不会是暗淡的。”

　　伯卡博士列举了一些新的设计创意，认为他们将有助于解决论文中指出的限制问题。英特尔近期开发了一项技术，使处理器的不同部分能耗不同，处理器同时拥有低速率、低能耗的晶体管和能够快速转换但耗能大的晶体管。

　　如今的处理器芯片越来越多地采用双核甚至多核，即两个或多个中央处理器，这使其能够同时运行多个程序。未来，英特尔计算机将使用不同的核以最大化地解决不同问题，只有部分能耗较大。

　　尽管英特尔公司5月份时宣布，采用3维设计能够将更多的电子管布放在单一芯片上，但这一技术并未解决论文中提到的关于暗硅的能耗问题。论文作者说，他们尝试列举了一些有前景的革新技术，他们认为问题在于，创新者们在克服能量限制的路上能走多远。

　　“方向有限，如何发展在于态度。”伯格博士说。

　　一段时间以来，芯片设计师一直在努力解决能耗限制问题。一个世纪前，人们普遍认为增加芯片的时钟速率(计算速度)是件容易的事情。但时钟速率达到3千兆赫，芯片就因过热而开始熔化，行业发展碰壁，这引发了一轮急促而紧张的设计革新。

　　如今，一些前沿设计师认为还有很大的革新空间。加利福尼亚大学伯克利分校计算机科学家大卫·A·帕特森说暗硅现象的确存在，但他对作者悲观的结论表示怀疑。

　　“一些论文含有这样的深意"如果不进行创新，我们将走向死亡"，这是其中一篇，”帕特森博士在邮件中说，“既然我们都不想死亡，这必然意味着我们需要革新。”