摩尔定律变慢时芯片的改进

随着摩尔定律(Moore’s Law)的放缓，芯片在两方面继续改进:一是更小晶体管的效率和速度的提高，二是利用更小晶体管尺寸所支持的更大数量晶体管的先进芯片设计的效率和速度的提高。这些先进的设计包括在一个芯片上封装更专业的核心的能力。
幸运的是，一些速度和效率的改进仍然是可用的，但是有相当大的技术挑战。大约在2004年，当达到65nm节点时，晶体管密度的改善在降低晶体管功耗和提高晶体管开关速度(频率缩放)方面变慢。尽管如此，晶圆厂报告称，晶体管级别的创新，而非设计级别的创新，将继续提供节点与节点之间一致(尽管速度较慢)的改进。
台积电和三星声称，他们的5nm节点芯片在功率保持不变的情况下，其7nm节点芯片的晶体管速度分别提高了15%和10%，而在晶体管速度保持不变的情况下，其功耗降低了30%和20%。图5和图6显示了台积电所声称的在90nm和5nm之间的恒定效率下的节点到节点晶体管速度改善的下降趋势，但是在台积电所声称的晶体管功率降低改善的下降趋势是平缓的。

三星在两项指标上的数据都在14nm到5nm之间呈下降趋势，但是我们缺少大于14nm的节点的数据。英特尔发现晶体管的速度略有下降，但从65nm到10nm，节点到节点的晶体管功率降低的改进仍在继续。英特尔还没有推出其7nm节点。这些速度和效率的提高既有利于像CPU这样的通用芯片，也有利于像AI芯片这样的专用芯片。

芯片设计的改进现在提供了降低CPU效率和速度的改进。图7按节点合并了CPU和晶体管的速度和效率测量。对于CPU，我们使用图1中的数据。对于晶体管，我们使用来自图5和图6的台积电和英特尔节点的数据。这些消息来源在速度和效率改进方面大致一致。台积电和英特尔报告的来自晶体管级创新的改进，通常与来自晶体管级和设计级创新的CPU改进相匹配。粗略的匹配表明，晶体管级的创新在过去15年里一直在CPU效率和速度改进方面发挥着重要作用，至少在经过测量的CPU基准测试中是这样。然而，高效的设计仍然发挥着作用。

改进的晶体管密度可实现专业化

除了改善晶体管功能外，增加晶体管密度还能使芯片包含更多种类的专用电路，用于执行不同类型的计算。一个芯片可以调用不同的专用电路，这取决于所请求的计算。这些电路可以包括一些优化的AI算法和其他专门针对不同类型的计算。
除了使用这些专用电路外，近年来在通用芯片上增加更多的晶体管几乎没有什么好处。从理论上讲，更多的晶体管可以使CPU包含更多的电路，从而并行执行更多的计算。然而，并行性的加速通常受到串行计算时间百分比的限制，串行计算一个接一个地执行，因为一个计算的结果需要启动另一个计算。相反，并行计算是同时进行的。即使只有1%的算法计算时间需要串行计算，也会浪费45%的处理器能量。不幸的是，大多数应用程序至少需要一些串行计算，并且随着串行化百分比的增加，处理器的能量浪费变得过高。自2000年中期以来，随着其他设计改进的放缓，拥有越来越多核心的多核设计开始激增。但是多核设计也不能有效地并行化算法，这需要在串行计算上花费大量的时间。