与时俱进 不断前行的半导体行业

    |     2015年8月28日   |   行业资讯   |     0 条评论   |    4356

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OFweek电子工程网讯:熟悉处理器的用户肯定听说过摩尔定律,在半导体行业飞速发展的年代它就是科技进步的切实体现。但是与半导体市场和用户需求一同升温的还有处理器温度与功耗,最终由于种种原因,摩尔定律的内容实际上已经被彻底放缓。但是半导体行业并没有止步前行,而是在另一个方向上不断前行。

摩尔定律的意义

摩尔定律是由Intel创始人之一戈登·摩尔提出:集成电路上可容纳的晶体管数量,每隔两年便会增加一倍(图1);而更多的晶体管使处理器性能提升幅度如何呢?“18个月会将芯片的性能提高一倍”,Intel一位CEO大卫·豪斯如是说。

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图1

需要注意的是,定律原本适用于物理或者自然法则,而并不应该适用于半导体行业发展。摩尔定律最多只能算作一种观测或推测,由于源自Intel所以多年来不断被竞争对手比如AMD或者NVIDIA等厂商吐槽。不过尽管如此,摩尔定律的趋势确确实实持续了非常久的时间(图2),当时不少下游厂商仍乐观地认为摩尔定律将持续到至少2015年或2020年。也难怪,不断发展的半导体技术会成为用户不断更新设备的源动力,有利可图的厂商的乐观态度并不难理解。

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图2

多种原因使发展放缓

然后事与愿违,到2010年国际半导体技术发展已经开始放缓;而前几年可以用飞速来形容的移动设备的更新增长也在2013年年底放缓。据业界乐观估计,之后的时间里晶体管数量密度预计只会每三年翻一倍。

这其中的原因是多方面的。首先在传统PC领域中央处理器方面,自从推出Core 2架构后Intel就逐渐将竞争对手AMD越甩越远,之后推出的酷睿i7、i5和i3系列更是一骑绝尘,不论是绝对性能和性能功耗比均优于同类产品(图3)。这直接导致自从酷睿二代Sandy Bridge小幅度更新后,之后Ivy Bridge和Haswell的升级幅度几乎可以忽略不计。目前桌面级i7当中主流最强的处理器当属i7-4790K(图4),如果将其和i7-2700K对比,你会发现不仅晶体管数量没有倍增,就连同频性能提升的幅度都十分有限。

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图3

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显卡领域的情况与处理器类似,比如两年前的今天最强的桌面单芯显卡当属GTX TITAN无疑,而当下最强的单芯卡还属GTX TITAN X。如果不说性能单比较晶体管数量,两年前的GTX TITAN大概是71亿、而GTX TITAN则是80亿,虽然有所提升但完全达不到翻倍的程度。但毕竟TITAN系列的身份特殊,如果说到主流旗舰,GTX 680和GTX 780之间间隔的时间并非到达两年,但从35亿到71亿晶体管之间的提升真实反映了摩尔定律(图5)。

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图5

功耗阻碍性能发展

上述所说由于缺乏市场竞争导致的发展速度放缓其实并不是主因。其实不论什么时候,用户对于性能的要求是没有极限的。但为什么摩尔定律速度放缓,实际产品性能停滞不前呢?那就功耗问题和与之俱来的散热压力问题。

熟悉DIY的用户肯定记得最初的CPU和GPU几乎是不需要散热的,后来逐渐出现了被动散热鳍片方式的散热器,之后是尺寸小转速低的小型风冷散热器。随着晶体管密度越来越高半导体发热也越来越大,风冷散热器的鳍片和风扇尺寸也与日俱增。直到现在不少超高频率的产品已经不搭载原装风冷散热器单独发售了,官方推荐使用水冷散热器,这样的产品其实都是为了追求性能最终向功耗和发热妥协的产物(图6)。

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图6

在硕大无比的PC当中只要有空间散热问题都还容易解决,而到了移动设备上这一问题就有可能遭遇无解的尴尬。ARM架构移动智能设备处理器当中的高通其实身份有些类似x86架构当中的Intel,但是其两年前的旗舰为骁龙800,而当下的旗舰骁龙810提升的幅度非常有限。不仅如此,骁龙810因为其功耗、漏电率和发热问题直到今日都没有普及,就是因为在手机设备当中解决散热问题要比PC难上数倍。

摩尔定律新说

台积电董事长张忠谋认为“未来5-10年半导体产业的摩尔定律将会走不下去。”但也有不同的声音出现,比如华为手机总裁何刚受采访时不认同摩尔定律将失效的观点,他认为半导体领域还有很多创新机会。

比如iPhone 6所使用的苹果A8处理器就是一个很好的榜样(图7),A8处理器的晶体管数量高达20亿,而核心面积差不多是87mm2,比竞争对手骁龙800系列的120mm2要小得多。而Intel的Haswell处理器中Core i7-4790K是14亿晶体管,核心面积177mm2,换句话说台积电20nm工艺的A8晶体管密度比Intel 22nm 3D晶体管工艺的Haswell处理器还要高。

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图7

而PC领域显卡的架构更替更能说明问题,比如本代GTX 980拥有53亿晶体管、核心面积为398mm2,上代GTX 780晶体管数量71亿,核心面积561mm2。核心面积变小、晶体管数量变少(图8),照理说性能应该大幅下降才对,但实际上GTX 980的性能要远胜GTX 780。

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图8

小结

生物在大自然中生存会找到自己的生存之道,而目前半导体行业似乎也找到了自身的解决之法。不仅依赖于制程,在工艺上的不断进步同面积下晶体管是有可能增加的。而类似显卡领域那样利用架构的进步,就算是核心面积变小晶体管减少依然能带来性能提升,是目前半导体行业新的方向。
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