摩尔定律在接下来的计算中重新定义了自己。
2016年初，全球半导体行业承认参与其中的每个人都变得越来越明显：摩尔定律，自1960年代以来为信息技术革命提供动力的原则即将结束。
摩尔定律指出，一条统治计算的经验法则指出，微处理器芯片上的晶体管数量每两年左右会翻一番 - 这通常意味着芯片的性能也将是。法律描述的指数改进将1970年代的第一台原始家用计算机转变为1980年代和1990年代的复杂机器，从那里引起了高速互联网，智能手机以及连接的汽车，冰箱和恒温器，这些机器，冰箱和恒温器今天变得普遍。
这一切都不是不可避免的，因为芯片制造商故意做出有意识的决定，以留在摩尔的法律轨道上。在每个阶段，软件开发人员都提出了使现有芯片功能紧张的应用程序；消费者询问了更多的设备。制造商急于通过下一代芯片来满足这一需求。实际上，自1990年代以来，半导体行业每两年发布一次研究路线图，以协调其数百个制造商和供应商在遵守法律的行动 - 有时被称为More Moore的策略。在很大程度上要归功于该路线图，计算机遵循了法律的指数要求。
但没有更长的时间。由于越来越多的硅电路被卡入同一小区域时，这种加倍已经开始步履蹒跚。有些甚至更根本的限制迫在眉睫。当前的顶级微处理器目前具有大约14纳米的电路功能，比大多数病毒小。但是，在2020年代初期，道路图组织主席保罗·加尔吉尼（Paolo Gargini）说：“即使付出了超级侵略性的努力，我们也将达到2-3纳米限制的限制，其中功能只有10个原子。这是一个设备吗？”可能不是 - 仅仅是因为在这个规模上，电子行为将受量子不确定性的约束，这会使晶体管绝望地不可靠。尽管进行了积极的研究工作，但当今的硅技术并没有明显的继任者。
下个月发布的行业路线图将首次制定一项不在摩尔法律的研究和开发计划。取而代之的是，它将遵循所谓的不仅仅是摩尔策略：与其使芯片变得更好并让应用程序遵循，它将从应用程序开始 - 从智能手机和超级计算机到云中的数据中心 - 并向下工作以向下工作以支持它们以支持它们。在这些芯片中，将是新一代的传感器，电源管理电路和其他越来越多的移动性的世界所需的硅设备。
反过来，不断变化的景观可能会使行业悠久的统一传统剥夺了追求摩尔定律的统一传统。“每个人都在为路线图真正的含义而苦苦挣扎，”爱荷华州爱荷华大学研究的计算机科学家兼副总裁丹尼尔·里德（Daniel Reed）说。代表美国所有主要公司的华盛顿特区的半导体行业协会（SIA）已经表示，一旦报告发布，它将停止参与道路映射工作，而将追求自己的研究和发展议程。
每个人都同意，摩尔法律的暮光并不意味着进步的终结。“想想飞机发生了什么，”里德说。“波音787的行驶速度并不比1950年代的707更快，但它们是非常不同的飞机”，创新范围从完全电子控件到碳纤维机身。他说，这就是计算机会发生的事情：“创新将绝对继续 - 但这会更加细微和复杂。”
制定法律
1965年使戈登·摩尔（Gordon Moore）著名的文章始于冥想，以纳入综合电路技术可以做的事情。摩尔（Moore）当时是加利福尼亚州圣何塞（San Jose）的Fairchild Semiconductor的研究总监，他预测了奇迹，例如家庭计算机，数字手表，自动汽车和“个人便携式通信设备”（移动电话）。但是论文的核心是摩尔试图为这一未来提供时间表。为了衡量微处理器的计算能力，他研究了晶体管，即使计算数字化的开关。根据他的公司和其他人在过去几年中的成就，他估计每年晶体管和其他电子组件的数量每年增加一倍。
后来在加利福尼亚州圣克拉拉共同创立的英特尔的摩尔低估了双倍的时间。1975年，他将其修改为更现实的两年。但是他的愿景很重要。他预测的未来在1970年代和1980年代开始到达，随着配备微处理器的消费产品的出现，例如Hewlett Packard手工计算器，Apple II计算机和IBM PC。对这种产品的需求很快就会爆炸，制造商正在参加激烈的竞争，以越来越小的包装提供越来越有能力的芯片。
这很昂贵。改善微处理器的性能意味着缩小电路的元素，以便将更多的电路包装在芯片上，并且电子可以更快地在它们之间移动。反过来，缩放需要在光刻学上进行主要的改进，这是将这些微观元素蚀刻到硅表面上的基本技术。但是，繁荣时期如此几乎没有关系：设定的自我增强周期。芯片是如此的用途，以至于制造商只能制造几种类型的类型 - 处理器和内存，主要是大量的。这给了他们足够的现金来支付升级其制造设施或“工厂”的成本，并仍然降低了价格，从而进一步加油了需求。
但是，很快，很明显，这个市场驱动的周期无法本身能够维持摩尔法律的不懈节奏。芯片制造过程变得过于复杂，通常涉及数百个阶段，这意味着下一步逐步降低了材料供应商和设备制造商网络，以便在正确的时间进行正确的升级。“如果您需要40种设备，只有39种已经准备就绪，那么一切都停止了，”经济学家肯尼斯·弗拉姆（Kenneth Flamm）说，他在奥斯汀分校学习计算机行业。
为了提供这种协调，该行业设计了第一个路线图。Gargini说，这个想法是“每个人都会对他们要去的地方进行粗略的估计，如果他们看到前方的障碍，他们可能会引起警报”。美国半导体行业于1991年发起了映射工作，来自从事第一份报告及其随后的迭代的数百名工程师，然后是英特尔技术战略总监Gargini担任主席。1998年，随着欧洲，日本，台湾和韩国行业协会的参与，这项工作成为了半导体的国际技术路线图。（今年的报告符合其新方法，将被称为设备和系统的国际路线图。）
“路线图是一个非常有趣的实验，”弗拉姆说。“据我所知，在任何其他行业中都没有这样的例子，每个制造商和供应商都聚在一起，弄清楚他们将要做什么。”实际上，它将摩尔的定律从经验观察转换为自我实现的预言：新筹码遵循法律，因为该行业确保他们做到了。
弗莱姆说，一切都很好，直到没有。
热死亡
第一个绊脚石并不意外。加尔金尼（Gargini）和其他人早在1989年就警告过这一点。但是，这仍然很难：事情太小了。
圣克拉拉（Santa Clara）设备制造商第三千年测试解决方案总裁Bill Bottoms说：“过去，每当我们扩展到较小的功能大小时，好事就会自动发生。”“这些芯片会更快，消耗更少的功率。”
但是在2000年代初期，当功能开始缩小到90纳米以下时，自动利益开始失败。由于电子不得不通过越来越小的硅电路移动速度越来越快，因此芯片开始变得太热了。
那是一个基本问题。热量很难摆脱，没有人愿意购买燃烧手的手机。加尔吉说，因此制造商抓住了他们唯一的解决方案。首先，他们不再试图提高“时钟率” - 微处理器执行说明的速度。这有效地对芯片的电子施加了限制，并限制了它们产生热量的能力。自2004年以来，最高时钟率就一直没有增长。
其次，为了使芯片沿摩尔的法律性能曲线移动，尽管速度限制，它们重新设计了内部电路，以使每个芯片都不包含一个处理器或“核心”，而是两个，四个或更多。Gargini说：“原则上说：“您可以拥有相同的输出，而四个核心在250兆赫兹的速度上与1吉赫兹的核心相同”。在实践中，利用八个处理器意味着必须将问题分解为八个部分 - 对于许多算法而言，这是难以不可能的。“无法并行化的作品将限制您的进步，” Gargini说。
即便如此，当结合创造性的重新设计以补偿电子泄漏和其他效果时，这两种解决方案使芯片制造商能够继续缩小电路，并通过Moore的定律保持其晶体管的进步。现在的问题是，在2020年代初期将发生什么，而硅不再持续扩展，因为量子效应已经发挥作用。接下来是什么？“我们仍然在挣扎，”陈的电气工程师陈说，他在加利福尼亚州圣克拉拉的国际芯片制造商Globalfoundries工作，并主持了正在调查问题的新路线图的委员会。
那不是缺乏想法。一种可能性是包含一个全新的范式 - 类似量子计算，它有望为某些计算，神经形态计算的指数加速，该计算旨在建模大脑神经元或分子计算的处理元件。但是，这些替代范式都没有使它离实验室很远 - 尽管这是随着IBM和Knupath Hermosa等芯片（例如Truenorth）的变化。许多研究人员认为，量子计算只能为利基应用程序提供优势，而不是数字计算出色的日常任务。
物质差异
确实保留在数字领域中的另一种方法是寻找“毫伏开关”：一种可以用于设备的材料，至少与硅配料一样快，但这会产生较少的热量。有许多候选物，从2D石墨烯状化合物到自旋材料，这些材料将通过翻转电子旋转而不是通过移动电子来计算。“一旦您走出了既定技术的范围，就有一个巨大的研究空间，”托马斯·蒂斯（Thomas Theis）说，他指挥北卡罗来纳州达勒姆市研究资助的半导体研究公司（SRC）的纳米电子倡议（SRC）。
不幸的是，也没有毫伏开关从实验室中取出。这留下了建筑方法：坚持使用硅，但以全新的方式进行配置。一个流行的选择是3D。而不是将平坦的电路刻在硅晶片的表面上，而是构建摩天大楼：将许多细的硅层叠放，每个硅都刻在每个硅中。原则上，这应该使得可以将更多的计算能力包装到同一空间中。但是，在实践中，目前仅适用于没有热问题的内存芯片：他们使用仅在访问存储器单元时才消耗功率的电路，这并不经常。一个例子是混合记忆立方体设计，该堆栈由三星和记忆制造商Micron Technology在爱达荷州博伊西（Boise）推出的一个行业财团正在追求多达八个内存层。
微处理器更具挑战性：一层热点层的堆叠层简直使它们更热。但是，解决这个问题的一种方法是消除单独的内存和微处理芯片，以及大量的热量（至少占总的50％），这是两者之间来回的快速数据中的50％。相反，将它们集成到同一纳米级高层中。
这很棘手，尤其是因为当前一代的微处理器和内存芯片是如此不同，以至于不能在同一工厂线上制成。堆叠它们需要完全重新设计芯片的结构。但是几个研究小组希望将其实现。电气工程师Subhasish Mitra和他在加利福尼亚州斯坦福大学的同事开发了一种混合体系结构，该建筑与碳纳米管制成的晶体管一起堆叠了内存单元，这些晶体管也将电流从一层到一层。该小组认为，其体系结构可以将能源用途降低到标准芯片的千分之一。
移动
摩尔定律的第二个绊脚石更令人惊讶，但与第一个相同的时间大约同时展开：计算机移动。
25年前，计算是由台式机和笔记本电脑机器的需求定义的。超级计算机和数据中心基本上使用了相同的微处理器，只是包装得更多。不再。如今，计算越来越多地由高端智能手机和平板电脑所做的事情来定义 - 更不用说智能手表和其他可穿戴设备，以及从桥梁到人体的所有内容中爆炸数量的智能设备。这些移动设备的优先级与他们久坐的表亲的优先级有很大不同。
与摩尔法律保持一致相当远远落在列表上 - 仅仅是因为移动应用程序和数据主要迁移到了被称为云的服务器农场的全球网络。这些服务器农场现在占据了遵循摩尔定律的强大，尖端的微处理器的市场。里德说：“ Google和Amazon决定购买的东西对英特尔决定做什么有很大的影响。”
对于手机而言，更重要的是能够在与周围环境和用户互动的同时长期生存。典型智能手机中的芯片必须发送和接收语音通话，Wi-Fi，蓝牙和全球定位系统的信号，同时还要感知触摸，接近性，加速度，磁场，甚至是指纹。最重要的是，该设备必须托管特殊用途电路以进行电源管理，以防止所有这些功能排出电池。
芯片制造商的问题在于，这种专业化正在破坏曾经使摩尔法律嗡嗡作响的自我增强经济周期。里德说：“旧的市场是，您会做一些不同的事情，但要卖出很多东西。”“新市场是，您必须做很多事情，但分别卖出了数十亿美元 - 因此，设计和工厂最好更便宜。”
两者都是持续的挑战。Bottoms说，新型路线图委员会负责该主题的底底说，将单独制造的技术在单个设备中和谐地合作通常是一场噩梦。“不同的组件，不同的材料，电子，光子学等都在同一包装中 - 这些问题必须通过新的架构，新的模拟，新开关等方面解决。”
对于许多特殊用途电路，设计仍然是一个家庭行业，这意味着缓慢而昂贵。在加利福尼亚大学伯克利分校，电气工程师Alberto Sangiovani-Vincentelli和他的同事们试图改变这一点：他们不是每次从头开始，而是应该通过结合具有已知功能的大量现有电路来创建新设备。“这就像使用乐高积木，” Sangiovani-Vincentelli说。确保块一起工作是一个挑战，但是“如果您要使用较旧的设计方法，那么成本将是艰巨的选择”。
毫不奇怪，如今，成本在芯片制造商的脑海中非常多。底底说：“摩尔法律的终结不是技术问题，而是一个经济问题。”他说，一些公司，尤其是英特尔，仍在试图缩小组件在撞击量子效应所施加的墙之前。但是“我们收缩的越多，成本就越多”。
每次秤减半时，制造商都需要新一代的更精确的光刻计算机。如今，建立新的工厂线需要通常以数十亿美元的价格来衡量的投资 - 只有少数公司能负担得起的投资。移动设备触发的市场的分散化使得很难收回这笔钱。底部说：“下一个节点的每个晶体管成本就超过了现有成本，缩放量停止。”
许多观察家认为该行业已经危险地接近了这一点。里德说：“我的赌注是，我们在物理用完之前就用完了钱。”
当然，在过去十年中，成本上升的成本确实迫使筹码行业大规模合并。现在，世界上大多数生产线都属于Hsinchu的Intel，Samsung和Taiwan半导体制造公司等跨国公司的比较。这些制造业巨头与向他们提供材料和制造设备的公司建立了密切的关系。他们已经在协调，并且不再找到有用的路线图过程。陈说：“芯片制造商的购买肯定比以前少。”
SRC副总裁Steven Hillenius说，以SRC充当美国行业研究机构的SRC：这是路线图的长期支持者。“但是大约三年前，SRC的贡献消失了，因为成员公司没有看到其中的价值。”SRC与SIA一起，希望推动更长期的基础研究议程并确保联邦资金 - 可能是去年7月发起的白宫国家战略计算计划。
该议程在去年9月的一份报告中列出，勾勒出了未来的研究挑战。能源效率是一个紧迫的优先事项 - 特别是对于构成“物联网”的嵌入式智能传感器，该传感器将需要新技术才能在没有电池的情况下生存，并使用环境热和振动中的能量清除。连通性同样的关键：数十亿个试图彼此交流的自由漫游设备，云将需要大量的带宽，如果研究人员可以利用曾经无法达到的Terahertz乐队，则可以获得这些带宽。安全至关重要 - 该报告呼吁研究新的方法，以防止网络攻击和数据盗窃。
这些优先事项以及其他优先事项将为未来几年提供很多研究人员。至少一些行业内部人士，包括英特尔高级微处理器研究主管Shekhar Borkar是乐观主义者。是的，他说，摩尔的法律从字面上的意义上结束了，因为晶体管数量的指数增长无法继续。但是从消费者的角度来看，“摩尔的定律只是指出用户价值每两年翻了一番”。以这种形式，只要该行业可以继续用新功能填充其设备，法律就会持续下去。
博尔卡说，这些想法就在那里。“我们的工作是将它们带入现实。”