通过GPU技术的改进，每年将使AI推理性能成倍提升

在过去一周，圣何塞似乎变成了芯片版的瞬息全宇宙。摩尔定律在其中一个宇宙已经死了，而在另一个宇宙依然“健在且活的挺好”。这两个宇宙的主宰者分别是英伟达和英特尔。

9月28日，英特尔在和英伟达总部隔着一个圣何塞机场的麦克内里会展中心，举办了Innovation线下大会。在主题演讲中，英特尔CEO帕特·基辛格(Pat Gelsinger)发布了13代酷睿处理器Raptor Lake。其中i9-13900K款产品为24核心(8个性能核，16个能效核)，32线程。它们采用的是Intel 7制程工艺和x86高性能混合架构。而且，尽管此前曾提示会涨价，但新一代的最终价格和上一代基本持平。

但外界对当天演讲的讨论不只停留在新的CPU本身，在发布这款被基辛格称为“史上最快最好的桌面处理器”之前，基辛格在演讲里首先提到了摩尔定律。

“过去数十年我都处在一个争论之中，就是摩尔定律已经死了。”他说。“但答案是，没有!”

基辛格对着台下略显夸张的张开双手，背后的PPT显示出几行大字：

Moore’s Law: Alive and Well(摩尔定律活的很好)。

“我们期待单一芯片封装上集成的晶体管从今天的一千亿个，到这个十年的末尾达到一万亿个。”他说。

“在元素周期表被穷尽前我们不会停止，我们会继续做摩尔定律的守护者。”

这段发言被诸多媒体引用，且被认为是对一周前英伟达CEO黄仁勋在GTC大会后的一段发言的隔空回击。

在此前9月21日的2022 GTC线上大会上，英伟达CEO黄仁勋发布了RTX 40 系列显卡，公布了全新 GPU 架构 Ada Lovelace等产品技术和服务。在会后的媒体采访中，当被问到充满争议的定价问题时，黄仁勋把其归结于摩尔定律的死亡。

“今天一个12寸晶圆的价格不是贵了一点而是贵了超级多。摩尔定律死了，它结束了，结束的很彻底。芯片价格会随时间降低的故事已经是过去时了。计算已经不再是个芯片问题，是软件和芯片共同的问题。”黄仁勋说。

这其实已经不是黄仁勋第一次尝试为摩尔定律送终。黄仁勋认为替代摩尔定律的方案是“加速计算”。也就是依靠AI，服务AI，通过更好的AI技术和针对具体场景更定制化的设计来解决性能提升的问题。

“在摩尔定律失效的当下，如果我们真想提高计算机性能，‘黄氏定律’就是一项重要指标，且在可预见的未来都将一直适用。”在近日举办的GTC中国峰会上，英伟达首席科学家Bill Dally做出上述发言。

所谓黄氏定律，是以英伟达首席执行官黄仁勋(Jensen Huang)名字命名的定律，其预测GPU将推动AI性能实现逐年翻倍。目前来看，虽然或多或少受到硬件与软件影响，但黄氏定律将稳定发展，小至个人数码产品中的脸部或语音识别，大至自动驾驶汽车、数据中心等，都受益于黄氏定律。

在半导体的开发竞争中，业界普遍认为，以每两年2倍的速度发展的摩尔定律即将走到极限。在芯片主战场转向于AI领域的背景下，由英伟达提出的黄氏定律得到重视，显示英伟达在AI计算领域的领先地位。

当前AI计算无处不在，进一步向个人设备、边缘领域拓展。以智能手机为例，内置芯片搭载的神经网络引擎就为各项机器学习任务奠定了基础，如面部识别、自然语言理解、物体追踪与规避、手势和文本识别等。

“在整个GPU芯片设计历史过程中，随着工艺的发展，我们自然而然会放进去更多的计算单元。”英伟达中国区工程和解决方案高级总监赖俊杰告诉界面新闻记者。同时，英伟达依靠架构上的创新，从而使GPU发展速度和性能提升呈现几倍、甚至几十倍的结果。在GPU市场，英伟达GPU芯片的应用早已扩展到了游戏、图形计算之外，在数据中心的加速计算、AI取得主要市场份额。

不过，虽然基本上是以AI为核心，但系统运作时仍然少不了CPU参与。而Bill Dally坦承，当工程师大幅提升某部分的运算时，其他无法再加快的部分就会成为瓶颈。

Bill Dally于2009年加入英伟达，此前担任斯坦福大学计算机科学系主任，致力于数据科学、人工智能和图形学的研究，拥有120多项专利。在英伟达，Bill Dally负责领导一支200多人的科学研究团队。

Bill Dally称，英伟达的目标是通过GPU技术的改进，每年将使AI推理性能成倍提升。在GTC大会上，英伟达推出一款超高能效加速系统MAGNet，可以让AI推理能力达到每秒100万亿次的效率，比目前的商用芯片高出一个数量级。

自从英特尔创始人戈登·摩尔提出摩尔定律以来，全球的计算机和半导体行业都在遵循这个发展规律，该定律的具体内容是，每过大约18个月，集成电路上的晶体管数量就会增加一倍。简而言之，芯片的性能在两年的时间内就会翻倍增长，更新换代的速度非常快。

摩尔定律为芯片制程的提升带来了基本准则，这么多年来所有代工厂几乎都无法脱离它的核心思想，包括全球第一的台积电，也是在摩尔定律的推动下，才慢慢达到如今的高度。但随着芯片先进程度的不断提高，到了5nm时代，摩尔定律似乎要失效了。

目前能够量产5nm芯片的代工厂只有两家，除了台积电之外就是三星，二者的工艺技术不存在太大的差距。但更为先进的3nm芯片，对于它们而言却是一个不容忽视的难题，因为5nm制程还没有完全成熟，要想实现3nm的量产可能需要很长的时间。

而一旦这个时间不符合摩尔定律的预期，就说明该定律即将失效，3nm尚且如此，更何况后面的2nm和1nm芯片呢?所以说，在芯片工艺持续进步之后，摩尔定律也许会迎来极限，到时候各大代工厂的技术提升就会变得非常缓慢。

不过，就在5月17日这一天，国内外媒体传来消息，台积电联合台大和麻省理工在1nm芯片领域，取得了关键性的进展，或将挑战摩尔定律的极限。突破1nm芯片?很多人都对台积电产生了质疑，它到底是怎么做到的?

据了解，麻省理工学院率先发现通过半金属铋制成的二维电极，可以让集成电路内部的电流变得更大，并且进一步减小电阻，实现趋于极限的能效。这个发现为1nm制程的芯片打下了基础，而台积电则对“易沉积制程”进行了优化，成功进入了纳米阶段。

也就是说，在台积电、台大和麻省理工的共同努力下，1nm芯片不再像之前那样遥不可及，其中的某些技术已被攻克，量产也不是不可能。只是就当下的情况来看，台积电对此还停留在理论阶段，要想真正落于现实，还需要很长的时间。

作为芯片制造领域的绝对霸主，台积电一直被外界普遍看好，7nm和5nm芯片都是由它第一个完成量产的。而现在1nm芯片也收获了不错的成果，进一步证明了台积电的技术实力，其在芯片代工市场的地位也将变得更稳固。

正是由于半导体产业的不同位置的企业、团队的共同推进和成果共享，突破极限的芯片被成功应用，摩尔定律也因此可以继续向前推进。

虽然在推动半导体产业遵循摩尔定律的过程中，很多企业的投入成为“炮灰”，但从人类挑战微观世界极限的角度来看，它们非常值得尊重。

二十多年前，极紫外光刻等技术路线尚在探索中。据记载，1997年业内就预测2006年芯片特征尺寸将缩小到100纳米，而100纳米是一种挑战，因为制造小于100纳米线宽的集成电路时，光源波长将大于其特征尺寸，常规的光学光刻工艺失灵，为此必须寻找一种完全崭新的光刻工艺。世界各大半导体公司、大学和研究所那时都努力探索研究这种新工艺，如英特尔公司领导的联合体采用光源为氙气的特别紫外线光刻，其波长小于10纳米;IBM公司采用X射线光刻，其波长为5纳米;美国得克萨斯大学和美国半导体制造技术战略联盟联合采用紫外线光刻刻出80纳米图形，同时采用特殊的刻蚀石英掩膜，朗讯公司采用电子束光刻……这些方法复杂、昂贵，需要大批量生产考验。

当然，最终经受住考验的那个结果我们这个年代的人已经知晓，但在当时为了实现突破极限、按照摩尔定律推进的“小目标”，整个产业都勇立在原始创新的潮头。

不同环节共同推进技术发展

在硅晶上“微雕”一个缩微城市，让每个电子都带着正确的指令飞奔，当然不会是光刻机“独挑大梁”。