当摩尔定律遭遇Exascale级超算

ZDNet至顶网服务器频道 7月6日 编译（文/Desire）：虽然目前Exascale级别超级计算机还没有诞生，但对于这个项目的研究论文已经是铺天盖地。最近一篇精悍短文就讨论了在未来十年左右的时间里，CMOS工艺将要面临的一些挑战。文章指出，摩尔定律会随着Exascale级超算的发展于十年内被打破。

这篇题为“Exascale级超算研究：为后摩尔时代做准备”的文章，是由高性能计算专家Marc Snir、 Bill Gropp和Peter Kogge共同攥写。专家指出，当前人们应该更加高效的使用CMOS工艺，同时加快对其替代品的研究。

通常对于超级计算和信息技术的发展有一个规律，就是处理器在更加强大的同时价格也更低。就像鲨鱼要不断游行寻找猎物才能生存一样，IT产业也要依靠硬件的不断发展来满足市场的预期。

如果高性能计算可以达到更高的水平，将十分有利于推动重大科学进展，帮助解决诸如气候变化和能源使用问题等全球性挑战。此外，如今国家安全对于超级计算的依赖性越来越强，信息逐步成为了战争的主要武器，很多国家也都把超级计算列为了国防重点发展策略。

从上世纪70年代开始，CMOS工艺就获得了广泛使用。如摩尔定律所描述，在CMOS Scaling理论的引导下，晶体管在密度和性能方面获得了持续化和系统化增长，从而成为硅半导体技术发展中的一个极为成功的工艺技术。然而当半导体行业演进到45 nm或更小尺寸的时候，CMOS工艺快要达到原子理论和量子力学所决定的物理极限。正如专家所述，在下一个十年中，伴随着晶体管尺寸达到7nm级别，CMOS工艺的发展行将终止。

CMOS工艺发展遇到的瓶颈不能仅仅依靠增加芯片数量作为补偿。实际上，它已假定了处理器数量、内存容量和其它组件性能都会有持续提升来满足Exascale级超算需求，并且增加的系统故障率也需要分别来应对。

CMOS工艺同样也面临着功耗问题，芯片功耗和功耗密度已经成为一项重大挑战。专家表示，业界需要一种更加高效灵活的处理器电路，包括从硬件（例如选择低功耗的电路和高密度的封装）和软件上（例如编程时使用更高效的算法）进行优化。此外，使用一种具有节能特点的通信协议也是很有必要的。

遗憾的是，目前还没有某项技术可以完全取代CMOS的位置。自旋电子学、纳米线、纳米管、石墨和其它一些独特技术都在实验室中进行着测试，但投注生产的时机仍不成熟。为此，专家建议应加大政府资金投入，加快评估、研究和发展这些技术，为将来10至15年的商业化生产奠定基础。