摩尔定律失效 发热控制与电池技术才是PC手机的关键

[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。

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。

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