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对话汪波:华为“韬定律”,最大极限在哪里?
观察者网:何庭波在演讲中提到,在8086时代,行业通过标准化内存总线将处理器和存储器解耦,但AI时代正在逆转这种趋势,逻辑和存储正在重新被推向紧密的集成。随着韬定律提出,未来半导体行业的发展方向可能发生什么样的变化?
汪波:进入AI时代后,计算和存储重新靠近,确实正成为一种新的趋势,如HBM(高带宽内存)就是为了减少存储和计算之间的延迟。华为采用的3D折叠技术,其实就是想让计算和存储在3D空间中更紧凑地堆叠起来,进一步缩小计算和存储之间的距离,促进两者之间的融合。
我认为,这可能重塑半导体产业的发展方向。当前,计算和存储的厂商是分开的,最多只是将产品封装在一起。但在融合理念的推动下,未来的产品可能在设计阶段就将计算和存储有机地融合在一起,这可能是未来的一个方向。
晶体管的发明者约翰·巴丁、威廉·肖克利和沃尔特·布拉顿
观察者网:自摩尔定律于上世纪60年代提出以来,它一直是半导体行业的重要准则。您在《芯片简史》中提到,摩尔定律不仅仅是对规律的总结,更已成为业界的一种“信仰”。但随着指导晶体管缩小的登纳德缩放定律逐渐失效,物理层面上的限制似乎已让摩尔定律逼近极限。
华为在论文中提出了韬定律对于τ缩微的预测:微缩因子α与应用场景相关,在功耗受限的移动设备中,α约为每年1.3倍;在自动驾驶系统中,α约为每年1.5倍;在AI系统中,α最高可达每年10倍。但通过折叠提高晶体管密度,仍然存在物理层面上的限制,是否也将使韬定律面临类似摩尔定律的瓶颈?
汪波:在华为发布韬定律论文后的第二天,也就是5月26日下午,华为的技术专家做了一个报告。在回答提问时,其实也有观众问到这个问题,即韬定律的最大极限在哪里?当时,华为的架构师回答说,短期内还没有看到逻辑折叠的边界,作为一个工程师,他的职责就是在未来遇到新的障碍时去解决这些问题。
韬定律的极限,可能更适合留给学术界探讨。我举个例子,摩尔定律刚刚提出的时候,摩尔也在1965年的论文中提到芯片可能遇到的挑战,但没有给出极限。到70年代,加州理工学院的卡弗·米德教授做了一个估算,认为晶体管尺寸缩小到150纳米就是极限了。我们知道,后来芯片的尺寸缩微超越了这个数字,到本世纪初变成几十纳米,现在还缩小到几纳米。
这就像是人们在剥洋葱一样,一层一层地剥开,不断发现新的可能。所以这个问题,需要留到未来去解答,我们可能发现更远的极限在等着我们。
观察者网:近年来,美国在半导体等领域针对中国实施的一系列制裁和打压,让华为等中国企业更早碰到了这堵“墙”,促使中国研究人员先一步进行投资研究并取得突破。在这样一个经济高度全球化、彼此互相依存的时代,韬定律提出的全新设计准则是否会重塑全球芯片行业格局?
汪波:现有芯片行业的格局是高度依赖制造,尤其是先进制程工艺。即使能够设计出非常复杂的芯片,创意也可能受限于工艺、产能和制造成本,无法得到实现。但韬定律可能重新激发出设计的创意,在三维空间中更灵活、更自由地进行有创意的设计,可能重新增加设计的价值。
设计的价值在行业中的比重可能有所增加,回到与先进制程同等的地位。在这个意义上,我认为韬定律会让设计和制造达到新的平衡,从而改变芯片行业的格局,让一些很好的创意在不需要先进制程的情况下也能得到实现,同时性能可以媲美使用最先进工艺制造的芯片。
观察者网:华为发布韬定律的论文后,许多美国和欧洲媒体认为,中国正探索出一条绕开美国技术封锁、摆脱对西方半导体设备依赖的自主路径,美国的制裁逐渐失去效果。您对中国半导体行业的发展有什么样的展望?
汪波:华为在论文中给出了一个目标,预计到2031年,基于韬定律的高端芯片晶体管密度将达到1.4纳米制程的同等水平;到2035年,AI系统硬件集成度将增长100倍以上。我认为在接下来这9年时间里,国内可以在没有先进光刻机的情况下继续提供高性能的芯片和AI系统,为发展高端EUV光刻机争取到一个战略窗口。
另一方面,引领产业从尺寸的缩微转向时间的缩微,需要一定的时间,EDA、芯片散热等问题也需要一点一点的攻克。
总而言之,我认为华为开辟了一条新的路径,虽然还面临许多困难和挑战,但依然令人期待。
观察者网:未来,半导体行业是否可能探索新的材料路线,再一次实现如同当年晶体管取代电子管一样的技术革命?
汪波:学术界已经在这一方面探索了几十年时间。让我们回顾一下半导体发展的历程,为什么晶体管能够在20世纪40年代到50年代取代电子管?在那时,电子管其实就是一个真空的玻璃管,除了散热困难、不稳定等问题之外,一个关键不足就是它没办法进行尺寸的缩微。电子管再小,也有一个玻璃罩,需要抽成真空,缩小到厘米级之后很难进一步缩微。
所以,电子管就逐渐被晶体管取代,因为晶体管可以不断进行缩微。从目前的研究来看,可能存在三种路径。
一种路径就是继续缩微,也就是“延续摩尔”(More Moore),虽然难度非常大,红利也逐渐减少,但尺寸的缩微现在还没有完全停止。还有一条重要路径是“扩展摩尔”(More than Moore),通过类似堆叠的方式,继续提高晶体管密度,未来会延续一段时间。
如果这两条路径都走不通,接下来可能就是“超越摩尔”(Beyond Moore)的路径,开发使用新材料的晶体管。目前,有一些选项,比如使用碳纳米管代替传统的硅材料,制成碳纳米管场效应晶体管(CNTFET),它的性能非常好,但大规模制备比硅材料困难许多。
另一个选项是记忆电阻器,这是一种基于氧化物半导体、类似晶体管的元件,既可以实现开关,也可以实现一定的存储和记忆。但这种材料同样面临制备和器件一致性等方面的挑战,还无法匹配当前处理器的性能和规模。
所以,这些领域的研究主要还是在学术界进行,工业界暂时没有投入大量的资金和人力,可能还在谨慎地追踪。对于产业界,如果能够利用现有的制程去继续提高晶体管密度,他们没有太多的动力去切换到全新的材料。可能只有到前两种路径接近尽头时,“超越摩尔”的第三条路径才会成为主流的选择。
标签 韬定律- 责任编辑: 程煦 
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