經(jīng)常有人預(yù)言摩爾定律(Moore's Law)即將失效，該定律闡明了推動半導(dǎo)體行業(yè)性能長期持續(xù)提高的主要因素。

美國國防部高級研究計劃局(DARPA)首席微電子專家比爾?查普爾(Bill Chappell)更表示，摩爾定律早在“十年前就死了”。

如今美國芯片業(yè)正開始直面一個令人不安的現(xiàn)實。長期以來，芯片性能可靠的提升一直支撐著該行業(yè)的發(fā)展——并提供了計算能力來開辟新的技術(shù)市場———但一段時間以來，這種性能改善在持續(xù)減弱。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)工程和公共政策教授埃麗卡?富克斯(Erica Fuchs)表示，這一現(xiàn)象從2004年起就很明顯了。上周她在DARPA于舊金山舉辦的會議上發(fā)表講話時指出，芯片公司也一直在艱難地應(yīng)對研發(fā)回報下降的局面。

她稱，“他們不得不投入越來越多的資金，但是收入?yún)s沒有同步增長?！?/p>

在美國芯片業(yè)的60年歷史上，這段不祥時期仿佛只是一眨眼。周期性的繁榮，加上硅出現(xiàn)了新的市場——從無人駕駛汽車到機器學(xué)習(xí)——提升了該行業(yè)的銷售額，并推動費城半導(dǎo)體指數(shù)自2016年初以來上漲了一倍。相比之下，標(biāo)普500指數(shù)(S&P 500)上漲了38%。

但是，作為美國技術(shù)領(lǐng)先的關(guān)鍵支柱之一，這個行業(yè)正顯露出自信破碎的跡象。

去年初發(fā)布的出自一個總統(tǒng)顧問小組之手的報告闡明了其中的危險。除了正開始導(dǎo)致創(chuàng)新放緩的“基礎(chǔ)技術(shù)限制”，撰寫該報告的行業(yè)領(lǐng)袖警告說，中國將依托由大量政府資金支持的產(chǎn)業(yè)政策，“竭力重塑市場，使之更有利于中國”，“威脅美國工業(yè)的競爭力”。

正是在這樣的背景下，DARPA上周宣布支持一系列研究項目，以幫助確定該行業(yè)的長期發(fā)展方向。DARPA以其研究成果為互聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛汽車等領(lǐng)域帶來突破而聞名。

對眾多學(xué)術(shù)界和企業(yè)界相關(guān)研究人員的撥款是該機構(gòu)一項15億美元計劃的一部分，這也是該機構(gòu)近40年來首次大規(guī)模介入芯片領(lǐng)域。查普爾表示，這種介入是必要的，因為該行業(yè)正處于一個“拐點”，需要把目光轉(zhuǎn)向更長期的影響因素上。

注意力似乎早該轉(zhuǎn)移了。富克斯教授表示，一個主要行業(yè)組織從十幾年前就提議撥6億美元作為長期研究預(yù)算。最終承諾投入的研究經(jīng)費卻僅為2000萬美元。

DARPA計劃支持的研究項目涵蓋芯片架構(gòu)、新材料和設(shè)計，這些項目讓人得以略知可能在今后十年推動發(fā)展的技術(shù)。它們也預(yù)示著，隨著在摩爾定律下運行的舊的必然性消逝，芯片行業(yè)的面貌可能發(fā)生什么重大變化。

例如，在芯片架構(gòu)方面，該行業(yè)正面臨著通用芯片（數(shù)字時代的主要功臣，例如英特爾(Intel)的CPU）收益遞減的問題。雖然以計算能力來說，通用芯片有著無與倫比的性價比，但它們不能針對特定任務(wù)進行優(yōu)化。英特爾的研發(fā)負責(zé)人邁克爾?梅伯里(Mike Mayberry)表示，未來異構(gòu)性將更加突出。

DARPA的研究的一個重點是兼顧計算能力和靈活性的新芯片架構(gòu)。這包括“軟件定義的硬件”(SDH)，或者說可以動態(tài)重新編程的芯片——如今的“現(xiàn)場可編程門陣列”(FPGA)的延伸，后者是制成后可調(diào)整并具有一定靈活性的集成電路。

查普爾表示，機器學(xué)習(xí)的興起讓人得以一瞥這個新世界的可能面貌。市場對能處理海量數(shù)據(jù)的專用芯片（人工智能的深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)在訓(xùn)練時需要用到海量數(shù)據(jù)）的需求，為英偉達(Nvidia)帶來了新活力。英偉達的圖形處理單元最初是為了處理視頻而設(shè)計的。這種需求也為谷歌(Google)打開了一扇門，該公司推出了一種名為TPU的大數(shù)據(jù)芯片設(shè)計。

與此同時，英特爾正利用FPGA來提高其用于機器學(xué)習(xí)的CPU的性能——這是微軟在腦波計劃(Project Brainwave)采用的方法，腦波計劃旨在為其數(shù)據(jù)中心帶來更深層次的AI能力。

據(jù)谷歌母公司Alphabet董事會主席約翰?亨尼斯(John Hennessy)表示，此類“特定領(lǐng)域的架構(gòu)”的興起代表著影響芯片業(yè)發(fā)展的最重要因素。亨尼斯本人從事過多年硬件設(shè)計工作。

這可能在其他新興的計算市場樹立一種模式。例如，梅伯里表示，我們可以設(shè)想一種經(jīng)過專門優(yōu)化的新型處理器，應(yīng)用于需要在現(xiàn)實世界中與人在一起時運行的個人機器人。

對英特爾、英偉達和高通(Qualcomm)等公司來說，這一趨勢可能是個好兆頭。查普爾表示，該趨勢讓人看到了一個潛在的未來，大型的“水平”芯片公司（其產(chǎn)品可應(yīng)用于多個領(lǐng)域）將繼續(xù)在更專業(yè)化的計算領(lǐng)域處于支配地位。

然而，技術(shù)領(lǐng)域的其他長期趨勢可能為新進入者提供機遇，并帶來更具顛覆性的變化。

在材料方面，DARPA支持探索集成專業(yè)元件（如今已經(jīng)會添加在芯片上，以通過不同方式提高其性能）的方法。這主要是為了克服一個根本性的瓶頸，即信息需要在芯片的記憶元件和邏輯處理器之間來回傳輸——這降低了性能，特別是在涉及大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用上。據(jù)DARPA表示，一種結(jié)果可能是研究出新的硬件設(shè)計，徹底顛覆舊的方法，將處理能力轉(zhuǎn)移到存儲數(shù)據(jù)的地方——這是現(xiàn)代計算領(lǐng)域越來越以數(shù)據(jù)為中心的本質(zhì)的明顯標(biāo)志。

與此同時，在芯片設(shè)計領(lǐng)域，DARPA支持旨在通過提高自動化程度來降低成本的新技術(shù)，同時把設(shè)計任務(wù)分解成更小的單位。

像這樣的趨勢預(yù)示著未來新進入者有可能影響專業(yè)芯片設(shè)計。查普爾稱，這可能會讓Facebook和亞馬遜(Amazon)之類的公司在提供服務(wù)方面——從擁有數(shù)據(jù)直到設(shè)計專用硅——擁有更多的控制。

將設(shè)計和制造分解到更小的組件上，也使得較小規(guī)模公司參與進來具有經(jīng)濟效益，扭轉(zhuǎn)行業(yè)整合直至集中到少數(shù)幾家全球巨擘手中的趨勢。查普爾將這與精釀行業(yè)作比，認為初創(chuàng)企業(yè)和對“垂直”市場（如醫(yī)療影像）感興趣的公司將設(shè)計并生產(chǎn)較小批次的芯片。

這樣的前景會吸引國防部研究人員并不奇怪。梅伯里表示，美國軍方已變得依賴于其委托制造數(shù)量相對較少的高度優(yōu)化芯片的能力。五角大樓、以及美國芯片業(yè)在技術(shù)上的全球領(lǐng)先地位可能面臨威脅。

延伸閱讀——超越摩爾定律

摩爾定律是芯片業(yè)的經(jīng)驗法則，由英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登?摩爾(Gordon Moore)在1965年提出，預(yù)言一塊芯片上的晶體管數(shù)量大致每兩年增加一倍。此后，這個術(shù)語被延伸至囊括了影響芯片性能的其他因素——例如登納德縮放定律(Dennard scaling)——現(xiàn)在涵蓋了總的芯片性價比的改善。

根據(jù)Alphabet董事會主席約翰?亨尼斯的說法，這一良性因素的放緩已經(jīng)導(dǎo)致技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了明顯赤字。

他稱，過去十年芯片性能提高軌跡落在摩爾定律的指數(shù)級增長曲線之下，使得如今芯片上的晶體管密度只為應(yīng)有密度的十分之一。這代表了性能顯著損失，盡管在過去40年中晶體管密度已經(jīng)提高了100萬倍。

與此同時，查普爾認為，造成這種狀況的主要原因在于經(jīng)濟方面，而非技術(shù)方面。他表示，研發(fā)新芯片的巨額前期設(shè)計成本以及生產(chǎn)芯片的“晶圓廠”的造價，已經(jīng)削弱了該行業(yè)通常的性價比提升，除了生產(chǎn)規(guī)模非常大的產(chǎn)品以外。