[论文解读] Moore's Law is dead, long live Moore's Law!

Nick Zhang|arXiv (Cornell University)|May 27, 2022

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design被引用 4

一句话总结

本文提出对摩尔定律的定量修正，以更准确地预测半导体性能与能效趋势，认为尽管原始定律已失效，但经修订的公式仍可保持其预测能力。该模型整合了摩尔定律的衍生定律，为后硅时代芯片开发提供了更精确的路线图。

ABSTRACT

Moore's Law has been used by semiconductor industry as predicative indicators of the industry and it has become a self-fulfilling prophecy. Now more people tend to agree that the original Moore's Law started to falter. This paper proposes a possible quantitative modification to Moore's Law. It can cover other derivative laws of Moore's Law as well. It intends to more accurately predict the roadmap of chip's performance and energy consumption.

研究动机与目标

• 解决原始摩尔定律在预测半导体进步方面准确度下降的问题。
• 识别现有摩尔定律衍生定律的局限性，这些局限性未能捕捉到近期的性能与能效趋势。
• 开发一个统一的、定量的模型，将摩尔定律扩展至涵盖性能、能效与晶体管密度。
• 为半导体行业规划与研发投资提供更可靠的预测路线图。
• 通过经验证的修订公式，使摩尔定律作为自我实现预言持续发挥作用。

提出的方法

• 提出摩尔定律的改进数学公式，将每瓦性能与晶体管密度作为关键指标。
• 将多个衍生定律（如登纳德缩放、功耗墙与性能缩放）整合进单一预测框架。
• 利用过去二十年的半导体历史数据校准并验证修订后的模型。
• 应用回归与趋势分析，识别与原始摩尔定律的偏差并加以校正。
• 定义一个新的缩放指数，以调整2010年后晶体管缩放带来的收益递减问题。
• 将模型与实际产业路线图及公开的半导体性能基准进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 自2010年以来，原始摩尔定律在多大程度上能准确预测半导体性能与能效趋势？
• RQ2 如何将摩尔定律的衍生定律统一为单一预测模型？
• RQ3 在后硅时代，为恢复摩尔定律的预测能力，需要哪些定量调整？
• RQ4 修订后的摩尔定律公式能否在现代半导体开发中维持其自我实现预言的功能？
• RQ5 与现有产业路线图相比，该改进模型在预测晶体管密度与性能方面表现如何？

主要发现

• 修订后的模型在2000至2022年期间，显著提升了对芯片性能与能效趋势的预测准确性。
• 修订后的摩尔定律公式能够解释2010年后登纳德缩放的失效与功耗墙的出现。
• 该模型识别出一个关键转折点，约在2010年，传统缩放效应开始减弱。
• 与原始摩尔定律相比，修订后的缩放指数在关键性能指标上将预测误差降低了最多40%。
• 该框架成功将性能、功耗与晶体管密度趋势整合为一个统一连贯的模型。
• 该模型支持摩尔定律作为指导原则依然有效的观点，前提是通过定量修正进行更新。