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摩尔定律失效发热控制与电池技术才是PC手机的关键

发布时间:2020-09-24 01:17 编辑: 来源:

­  [摘要]摩尔定律开始失效,芯片性能提升速度越来越慢,要让计算技术继续发展,改进热量管理技术、增加电池能量密度也许会带来突破。

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­  腾讯数码讯(蓝天)1965年,计算机技术处在萌芽期,计算机工程先驱戈登•摩尔(Gordon Moore)写了一篇论文,冲击了科技产业。摩尔认为,计算机的性能每隔12个月翻一倍,成本下降50%。过去40年的历史证明摩尔定律相当正确。

­  现在摩尔定律进入困难时期。去年,英特尔曾表示,现在要让处理器的性能翻倍需要30个月的时间。2017年5月,《麻省理工科技评论》曾经刊发一篇文章,标题就是“摩尔定律终结”。

­  的确,计算机性能的提升速度正在放缓。放缓还带来一个问题:许多下一代产品依赖于更快、更节能 、更便宜的芯片,而芯片的进步建立在一个假设之上,那就是摩尔定律仍然有效。如果芯片的提升速度放慢,甚至停滞,VR、AI、无人驾驶汽车、医疗、遗传工程,甚至连最新的智能手机都会受到干扰,无法快速推出。

­  真的会死亡吗?也许有些夸大。

­  芯片到底可以变得有多小

­  摩尔定律并没有死亡,但是它的处境的确不怎么好。如果要让摩尔定律恢复生机,工程师和产品设计者必须改变方向,寻找新的突破。

­  “必须”不是建议,而是物理的必然。几年来,计算机工程师不断缩小芯片的尺寸,获得更高的性能,但是这种策略渐渐走到了尽头。设计芯片时我们遇到了物理和几何瓶颈:要让芯片变小极为困难。

­  现代芯片设计将芯片组件之间的间隙缩小到十几纳米。如果不是工程师,可能不知道十几纳米是什么概念。一张纸的厚度约为0.1毫米,它相当于10万纳米。现在芯片中空间的尺寸大约相当于一张纸厚度的1/8000。虽然进一步缩小尺寸是有可能的,比如降到7纳米,不过按照产业的估计,即使只是开发一款7纳米原型芯片,成本也会达到1亿美元,目前全球只有3家企业可以做到:台积电、三星和英特尔。英特尔已经宣布,投入90亿美元开发7纳米处理器,开发至少要4年时间。

­  7纳米实际上已经做到了。如果想进一步缩小尺寸,进步的空间并不大。因此在7纳米之后,如果我们想提高计算技术的性能必须从两个方面下手:一是热管理,二是能源密度。热量和能源问题是巨大的设计难题,也是“设备杀手”。它们对创新至关重要,由于尺寸受到限制,热量和能源问题束手束脚,所以我们基本上只能维持现状。

­  第一步:减少热量

­  要让计算性能飞速提升,我们必须强化热量管理技术。打个比方:要让汽车跑得更快,我们需要安装更强大的引擎,装备更好的轮胎;但目前的问题在于,如果让引擎更强大,轮胎会爆胎。

­  热问题已经阻挡了某些计算机技术的进步,比如堆叠(stacking),这种设计方案将计算机组件堆叠起来,比如处理器、内存、电源。采用堆叠设计,机器内部命令、电能移动的距离就会缩短,节省能源,提升处理速度。

­  虽然堆叠组件可以让计算机更快,但是生成的热量比分离更多。组件靠得太近为工程师带来挑战,他们要让设备在安全可行的温度下运行。正因如此,高通和英特尔已经抛弃了堆叠概念。英特尔组装和测试开发技术主管巴巴克•沙比(Babak Sabi)说:“从逻辑上讲,没有人能够真正将内存堆叠,除非有人可以拿出热解决方案……我不认为有人会使用堆叠技术。”

­  老式散热技术依赖于铜管和铝管,用垫片导热。但金属管和垫片太笨重了,装在笔记本、手机、汽车中效率不高。另外,老散热系统太坚硬,不够灵活,结果成为了设计的“噩梦”:你必须用铜垫片设计苗条性感的智能手机。

­  热技术阻碍了计算机整体性能的提升,但是技术正在快速进步,这是一个好消息。以后的热解决方案包括了凝胶、糊状物、新型柔性纤维,抛弃那些笨重坚固的材料。例如,NASA正在测试新散热材料,这种材料很轻很柔软,跟天鹅绒很相似。

­  第二步:增加能源密度

­  如果说热问题让摩尔定律“蹒跚前进”,那么能源密度问题则将摩尔定律变成了“跛子”。

­  所谓能源密度,就是说我们可以在特定空间内存储多少能源。能源密度越高,相同尺寸的电池就可以提供更多的电能。我们可以用赛车类比,如果说计算机处理器就是引擎,热管理是轮胎,那么能量密度就是燃油。

­  计算机及其它电子产品越来越快,越来越强,我们需要在更小的空间存储更多的能源,可惜电池技术进步缓慢。三星Note 7告诉我们:一面我们希望电池能够提供更多的电能,另一方面又要遵守严格的设计规范,二者必须平衡,如果平衡稍稍打破就会变成灾难。

­  能量密度问题成为一只拦路虎,影响了下一代计算产品的发展,比如机器人、无人机、太空探索设备、电子设备。在这些领域能量密度决定一切。对于消费者来说,由于能量密度没有大幅增加,所以我们会觉得手机电池不够用。

­  问题还不只这么简单,能量密度与热量管理问题是相互关联的。存储能源,充电,抽取电能,全都会产生热量。每一次当工程师在某方面取得进步,另一方面又会失常,导致问题变得更复杂。

­  未来的芯片技术

­  前路并非一片黑暗。我们应该保持乐观,相信科学家、工程师会在热量管理、能源密度方面取得突破。我之所以有信心,主要是因为克服技术、工程、设计问题是消费者渴望的。消费者想要更好的电池,它可以使用更长的时间,不让笔记本太热,消费者认为轻薄比强大的处理能力更重要。如果能够正确解决热量和能源密度问题,经济回报无疑是巨大的。

­  之所以乐观还有一个原因:当我们在热量、能源技术上前进一步,就会在其它地方取得相应的进步。如果真的做到了,新产品和新技术会变得更快,它们既可以保证摩尔定律继续有效,甚至还可以摧毁摩尔定律。技术的进步不是线性的,但最终它会带来更加激动人心的好消息。

­  来源:qz

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