摩尔定律日显窘迫 不确定性芯片另辟蹊径

　　在一个理想的情况下，每颗电脑芯片上的所有晶体管都应该是一样的。摩尔定律关于硅芯片的动力每十八个月翻一番的预言在未来的三、四十年中仍将继续发挥它振奋人心的指导性，而半导体工程师需要做的只需每年将所有晶体管的尺寸压缩约10%而已。

　　但在现实世界中，情况变得相当复杂。因为事实上，晶体管就如同冬天的雪花--没有两个是完全相同的。到目前为止这种略微的差异尚没有产生较大的影响，但这一点很快将被推翻。“总的来说”，Intel微处理器技术实验室研究主任谢克哈-波尔卡指出，“随着晶体管的体积向越来越小的趋势发展，它们之间的差异性也在不断的增加。而将来，两颗并排在一起的晶体管外观上虽然同样大小，但它们的电气性质可能会有很大的不同。”而电气性质的差异显然要比外观差异产生的影响严重得多，它意味着两者之间在性能上会有难以预料的偶然性差别，而直接的结果就是使芯片工作产生不稳定的因素，进而导致电脑、移动电话、导航系统及其他采用该半导体电路的设备产品产生不可靠性。

　　不过最近，乔治亚州理工学院所进行的一项研究表明，有“较大的希望”能够解决此类不可预知的差异性所导致的问题。然而具有讽刺意味的是，解决的方法竟部分源于该问题的本身。该学院嵌入式系统及技术研究中心的主任克里士纳-佩伦介绍说，既然在十年或者更长的时间内，对硅晶体管的品质控制仍然无法实现的话，“不如就从不确定性的角度出发，尝试去适应这种不确定性并探讨处理它的办法。”

　　佩伦最近展示了他的第一块体现这种“适应性”的芯片原型，围绕这片原型的实验也证实了利用不确定性解决问题的可行性。这种芯片的一个突出的优点在于节能。能耗的降低不仅有助于减少芯片的发热量，同时也能延长如移动电话、手持电脑以及其他电池供电设备的供电周期。未来采用这种芯片的手机的续航时间可能长达以周而非以日计算。佩伦认为，在一般的能耗水平下，这种新技术能够减少约20%的能源损耗。而对于牺牲速度换取续航时间的应用程序而言，能够节省的能耗也随之更高，“而这也是一项划得来的交易”。

　　除了精密化带来的质量控制问题外，过高的发热也是威胁当今高速芯片发展的一个突出问题。为了避免铜线路过热而发生熔化，一些新型的芯片设置了频率限速器，能够避免芯片频率因急剧上升而使积聚的大量热量无法及时散发。但佩伦指出，这些芯片所产生的大部分热量归根到底源于今天芯片设计中奉行的确定性思维。因为芯片在每一步的运算前对某一个位是0还是1都需要进行绝对的确定，而这个过程在无形中就消耗了大量的能量。所以，当芯片无需通过这个过程来保证数据的绝对正确性时，能量损耗也会得到大大的缓解，另外芯片的速度也会同时得到提高。这也是佩伦的“随机比特”(probabilistic bits，或称Pbits)理论中所提出的一个观点：“不确定性走向了成为障碍物的反面，从而变成了一种资源。”

　　佩伦还指出，Pbit芯片在解决芯片量产的不确定性问题之前还有一些短期的用途。“其首先得以运用的方面不在于通用计算领域”，这是Intel芯片横行的地盘，“相反，它们将首先运用在有特殊用途的嵌入式环境之中。”