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科技创新里程碑: IBM科学家 Robert H. Dennard 与改变世界的芯片

此类进展使 Bob Dennard 在职业生涯中坚守的价值观再次受到重视:人类的创造力和发明创造至关重要。例如,为了突破半导体的物理极限,IBM 一直在不懈追求量子计算技术,致力于解决这类在未来几年内最具专业性的信息处理挑战。

Robert Heath Dennard 的生活和职业生涯表明,发明和创造在美国社会从农业社会转变为如今的后工业信息经济社会的过程中发挥的巨大作用。

本月,半导体行业协会向 Dennard 授予了业内最高荣誉—罗伯特·诺伊斯奖(Robert N. Noyce Award),以此祝贺 Dennard 在职业生涯中取得的辉煌成就。

《哈佛商业评论》研究表明,世界500强企业中30%掌舵人来自印度。印度裔高管执掌的美国知名公司中,不仅有科技公司,还涉及银行、快消和餐饮等行业。

那天晚上,受到启发的 Dennard 一直在思考他是否能开发出一种既简单、又物美价廉的存储器。他打算利用半导体技术—一种在硅基材上蚀刻由细电线、晶体管和其他组件组成的图案的技术。

文章摘自:https://www.ibm.com/blogs/think/2019/11/ibms-robert-h-dennard-and-the-chip-that-changed-the-world/?linkId=76629610

John Markoff/文

DRAM 存储器不仅颠覆了早期的磁存储技术,而且还成为一个行业内的基础技术,而这个行业改变了整个世界的运行方式—包括我们的工作方式、娱乐方式,甚至战争方式。如今,借助 Dennard 的这项发明,普通手机或智能手机能够存储多个电影、数千张照片和整个音乐库,所以,全球三分之二的人口每天都把 Dennard 的发明装在他们的衣服口袋里。

灵感通常在夜深人静时迸发,这次也不例外。当时,34 岁的 IBM 电气工程师 Bob Dennard 正在思考他在当天早些时候看到的一位同事的研究简报。

从南部卫理公会大学毕业之后,他进入卡内基研究所工作,然后进入 IBM 工作。那是一个技术发酵的时代。贝尔实验室早在十年前就演示过晶体管。1958 年,就在 Dennard 到达约克敦海茨后不久,德州仪器公司(TI)的电气工程师 Jack Kilby 就展示了首款由晶体管、电阻器和电容器组成的固态电子设备,该设备可以用来创建简单的振荡器电路。对于 Dennard 来说,这的确是“合适的时机”,他的职业生涯将一直与爆炸性的科学进步和微电子学带来的社会影响相伴。

IBM总裁Jim Whitehurst在IBM Think Digital 2020大会发表讲话。

芯片制造商 AMD 总裁兼首席执行官 Lisa Su 在她的职业生涯早期阶段曾在 IBM 工作过十多年,她说:“我于 1995 年加入 IBM Watson,成为 Bob 的同事,那时,Bob 已经是传奇人物了。”“他不仅是一位出色的技术专家,而且,他总是乐于指导像我这样的年轻设备工程师。”

根据“登纳德缩放比例定律”,随着晶体管的尺寸不断缩小,即使每个芯片消耗的能量几乎保持不变,但是,给定空间中能够容纳的晶体管数量会越来越多,而且,它们的功能更强大,价格更低廉。

当时,IBM 的硅芯片设计师们正在研究利用六个晶体管来存储一比特数据的复杂电路。他们成功了。但是,这种电路的效率不高,所以,要想构建可存储大量数据的系统,这似乎并不是一种很有前途的方法。但是,就在 1966 年的那天夜里,Dennard 灵光乍现:可以用一个晶体管存储一比特数据!

激发未来的理论

如今,无论在 IBM 还是其它公司,只要研究人员想要继续突破计算技术的边界,这些素质就以往任何时候都更为重要。因为,尽管 Dennard 在几十年前提出的关键理论如今仍然存在,但是,“缩放”的黄金时代已经过去。

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Dennard 的职业生涯始于 1958 年。当时,他刚从卡内基技术学院(现为卡内基梅隆大学)毕业并获得博士学位,是一名新入行的电气工程师。Dennard 进入 IBM 工作,随后参与了由新未来主义建筑师 Eero Saarinen 设计的、位于纽约约克敦海茨的 Thomas J. Watson 研究中心的建设。

IBM 研究员、前 IBM 技术副总裁 Russ Lange 曾与 Dennard 共事过多年,他说,Dennard 的“野鸭”直觉意味着根本不存在无法克服的挑战。

Lange 回忆:“Bob 和我总是激烈讨论缩放是否会结束。”“他会说:是的,缩放终究会结束。但是,创造力永无止境。”

1932 年,Dennard 在德克萨斯州特雷尔出生。早年,他在一个没有电力的农场里生活,在只有一间教室的学校里上课。Dennard 在德克萨斯州度过了高中时光,但是,住在不远处的一位指导顾问 Dallas 建议他从事电气工程工作,因为这是一个不断发展的领域。Dennard 原本打算和他的朋友们一起在当地的一所大专院校读书。但是后来,南部卫理公会大学的一名招生人员发现他很擅长吹法国号,所以,他为年轻的 Dennard 提供了一项乐队奖学金。音乐和科学永远是他的两大爱好。

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换言之,芯片的速度越来越快、价格越来越低的计算技术良性循环已经显著放缓。

除了发明和理论,Dennard 还为公司的研究部门灌输创新文化,在 IBM 留下了自己的印记。从 20 世纪 50 年代初到 20 世纪 70 年代初,Thomas J. Watson Jr. 一直在担任公司的领导,他称 Dennard 这样的员工为“野鸭”。“野鸭”是指那些拒绝“编队飞行”的人。

那时,全世界最大的磁存储系统需要配备像机房那样庞大的设备,但却只能存储一兆字节的信息。一兆字节的信息相当于一本 500 页的书或 40 首流行金曲中的一分钟。这类存储系统不仅体积庞大,而且速度很慢,还要消耗大量电能。但是,Dennard 的同事正在构思一项计划,努力将下一代磁存储器的尺寸缩小到 25 平方厘米。

但是,最近,晶体管的成本已经不再下降。这主要是因为建造能够制造尺寸为 10 纳米或更小的芯片的晶圆代工厂需要巨额投资(超过 200 亿美元)。

Dennard 的想法很快就变成现实,于是,具有千比特(1000 比特)内存的 DRAM 芯片问世。在接下来的 55 年中,DRAM 不断发展,最终演化为拥有 8 千兆比特(80 亿比特)容量的存储介质。如今,从人们口袋里的智能手机到为全球经济提供支持的超级计算机等各种设备里都有 8Gb DRAM 芯片的身影,可以说,8Gb DRAM 芯片随处可见。而且,16Gb DRAM 即将问世。

Dennard 于 1966 年发明的 DRAM 并不是他在计算机界留下的唯一持久印记。1972 年,他提出了一个同样在日后产生了深远影响的想法,为整个半导体行业指明了发展道路。他为自己提出的“缩放理论”(现称为“登纳德缩放比例定律”)绘制了一个详细的模型。两年后,他在一篇论文中具体描述了这个理论。

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这套简单的原则不仅暗示了引人注目的规模经济,而且还暗示了整个业务生态系统。自从 Dennard 于 1974 年发表论文以来,半导体行业一直坚信“登纳德缩放比例定律”并在这个定律的引领下不断向前发展,而且,这个行业愿意投资数千亿美元来实现令人震惊的技术突破。

IBM Services 高级副总裁Mark Foster在 Think Digital 2020大会发表讲话

过去,一些全球顶级科学家、电气工程师和物理学家都曾在约克敦海茨工作过,如今,约克敦海茨仍是一个充满吸引力的工作地点,也是一个知识宝库。在 IBM 已获得的 139,000 多项美国专利之中,很多专利都在此地诞生。

(此文不代表第一财经观点,系出于传递商业资讯目的刊登。)

该图为Bob Dennard 发明单晶体管,单电容器计算机存储器(动态随机存储器)的专利申请插图,他于 1968 年获得专利

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最近,IBM 执行副总裁 John E. Kelly III 博士表示:“有了 Bob 的发明,我们才得以真正发挥可编程计算的能力。”

斯坦福“以人为本”人工智能研究院常驻作者、《纽约时报》前技术记者

而要做到这一点,就需要使用极少量的能量来反复刷新能够留住电荷的电容器,这样才能储存一比特数据。否则,随着电荷的消散,数据将很快丢失。但是,如果你愿意这样做,你就能让更简单、更小、更美观的电路具备相同的存储容量。

Bob Dennard 在这种想法的引领之下发明了动态随机存储器,简称为 DRAM。

此后不久,这种现象被来自加州理工学院的物理学家 Carver Mead 称为“摩尔定律”。此后,Carver Mead 继续开发新的设计方法,从而使包含数十万个组件的计算芯片问世。那时,这类芯片被称为超大规模集成电路,简称为“VLSI”。

IBM

2013 年,Dennard 被授予久负盛名的京都基础科学奖,他在致辞中回顾了 IBM 当年如何安排他去完成将计算机存储器转变为 1960 年代推出的新硅基技术的任务,并坦言接受这个任务是一件非常幸运的事。“当时,我已经做好准备。”他说,“我在合适的时间完成了一项合适的项目,而且,我深知自己的使命。”

首先,在 2006 年左右,计算机时钟速度不再加快,纳米级晶体管的尺寸已经极其微小,从而使电流泄漏成为一个非常棘手的挑战。这个挑战的解决方法包括各种技术突破,其中包括采用能够在最大程度上减少电流泄漏的新型绝缘材料和 3-D 芯片架构来提高密度。

Lange 说:“你需要有超越规则的意愿,不要被高管所说的“不行”吓住。要想在该行业内取得进步,这是一个非常关键的方面。这是对“野鸭”的一种认可。”

然而,是 Dennard 阐明了摩尔定律的数学和物理原理,并开启了 IBM 研究员 Bijan Davari 所描述的、一直持续到 21 世纪初的“黄金时代”。

IBM高级副总裁Rob Thomas在 Think Digital 2020大会发表讲话

“超越规则的意愿”

技术进步的黄金时代

简而言之:随着给定空间内能够容纳的晶体管的数量不断增加,计算机的速度会越来越快,价格会越来越低。

在 Engelbart 发表演讲时,时年 30 岁的化学家 Gordon Moore 正坐在观众席内。两年前,Gordon Moore 与其他人共同组建了 Fairchild Semiconductor Corporation。1965 年,摩尔在《电子学杂志》上发表了一篇文章,他在文章中指出,半导体行业正以惊人的速度“将更多的组件塞到集成电路上”。当时,每隔大约两年时间,被刻在硅芯片上的晶体管数量就会翻倍。

半导体行业内的高管们欣然认可 Dennard 作出的科学贡献。他们还注意到 Dennard 很愿意分享自己的智慧。

Davari 说:“在此期间,微处理器的频率提高了 1000 倍。”反过来,存储空间增加和计算速度加快促使全新的软件应用问世,从而形成了一个良性循环,这又对计算能力提出了新的要求。

对于每一代产品来说,工作频率(也被称为时钟速度)会比上一代产品提高 40%,而指定空间可容纳的晶体管数量将比上一代产品增加一倍。

1966 年秋天,Dennard 一直在帮助公司设计一种使用硅基晶体管的新型计算机存储器。这种被称为“微电子学”的方法将与计算机行业内使用磁存储器存储数据的传统技术(一种被称为核心存储器的技术)形成了鲜明对比。这份令 Dennard 感到一丝嫉妒的简报是他在 IBM 的竞争团队提供的,该团队正在研究尺寸较小的新型磁存储器。

1959 年,Douglas Engelbart 在费城技术会议上发表的一篇论文首次让全世界意识到缩放的力量。当时,在斯坦福研究院工作的 Engelbart 意识到,硅基系统内的晶体管不断缩小会使计算系统的功能不断提高。此后,他一直在设计能够使个人计算机和互联网成为现实的各种技术。

众多企业和整个行业相信每隔几年就会出现更新颖、更强大的存储器和逻辑芯片,所以,他们都在根据这个假设来规划自己的未来。

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