摩爾定律“生死”之爭背后：關(guān)乎未來半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展模式

“Moore’s Law： Alive and Well（摩爾定律活得很好）。”日前，英特爾CEO帕特·基辛格再次公開表示。

但前不久，英偉達(dá)CEO黃仁勛還在向外界傳遞摩爾定律已“死”的觀點(diǎn)。黃仁勛說道：“今天一個(gè)12英寸晶圓的價(jià)格不是貴了一點(diǎn)，而是貴了超級(jí)多。摩爾定律死了，它結(jié)束了，結(jié)束得很徹底。芯片價(jià)格會(huì)隨時(shí)間降低的故事已經(jīng)是過去時(shí)了。計(jì)算已經(jīng)不再是個(gè)芯片問題，是軟件和芯片共同的問題?！?/p>

英特爾與英偉達(dá)之間關(guān)于摩爾定律的“生死”之爭，再度將該定律的“生命年限”問題推至風(fēng)口浪尖上。多位半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)人士對(duì)《中國經(jīng)營報(bào)》表示，黃仁勛與基辛格可能都沒有對(duì)，也都沒有錯(cuò)，他們爭的并非字面上的摩爾定律，而是未來半導(dǎo)體行業(yè)模式。

“守正出奇”

摩爾定律不是一條物理定律，而是戈登·摩爾早期通過觀察發(fā)現(xiàn)的行業(yè)發(fā)展規(guī)律。

1965年，時(shí)任仙童半導(dǎo)體公司研究開發(fā)實(shí)驗(yàn)室主任的戈登·摩爾為《電子學(xué)》雜志寫了一篇觀察評(píng)論報(bào)告，在報(bào)告中摩爾提到，工程師可以不斷縮小晶體管的體積，芯片中的晶體管和電阻器的數(shù)量每18個(gè)月左右會(huì)翻番，半導(dǎo)體的性能與容量將以指數(shù)級(jí)增長，并且這種增長趨勢(shì)將繼續(xù)延續(xù)下去。他的這種預(yù)測(cè)，被稱為“摩爾定律”。1975年，摩爾修正摩爾定律，提出每隔24個(gè)月晶體管的數(shù)量將翻番。

2015年，摩爾定律歡慶50周年，摩爾本人在接受IEEE期刊Spectrum專訪中透露，當(dāng)年他在發(fā)表摩爾定律的文章時(shí)，只是想分享趨勢(shì)觀察，沒想到該理論后來變成半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的定律。

在最初的40年里，晶體管數(shù)量的增長得益于制程工藝的創(chuàng)新，與摩爾定律一直保持著“默契”。 以CPU為例 ，從早年的180納米到后來的130納米再到90、65、45、32、28 納米。在摩爾定律的指導(dǎo)下，英特爾1971年對(duì)外公布了世界第一個(gè)微處理器4004，宣告了“一個(gè)集成電子新紀(jì)元已經(jīng)來臨”。1974年，又推出了微處理器8080?！?080”被當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)人士稱贊為有史以來最成功的微處理器之一，也正是從8080開始，個(gè)人電腦開始在全世界范圍內(nèi)流行起來。

許多人，包括摩爾本人在內(nèi)都沒有意料到摩爾定律生命力竟如此持久。摩爾曾坦言，摩爾定律不會(huì)一成不變地永遠(yuǎn)繼續(xù)下去，大約還有10～15年就會(huì)發(fā)生變化?！叭魏我灾笖?shù)增加的物理量都預(yù)示著災(zāi)難。要知道，這時(shí)就接近某種極限了。你總不能超越某種重要的極限?！?/p>

獨(dú)立國際策略研究員陳佳對(duì)記者表示，當(dāng)時(shí)，電腦處理器性能與時(shí)間存在線性關(guān)系；又因當(dāng)時(shí)全球處理器市場(chǎng)被寡頭壟斷，導(dǎo)致其價(jià)格與時(shí)間也存在線性關(guān)系。在摩爾定律提出來的五十年間，全球半導(dǎo)體行業(yè)從未跳出來這個(gè)線性關(guān)系。

技術(shù)進(jìn)步和成本下降

雖然在過去數(shù)十年，摩爾定律一直在影響著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但也伴隨著爭議，“摩爾定律已死”的說法近十年的時(shí)間里從未間斷過。

摩爾定律指的是尺寸在逐年變小的同時(shí)，芯片上集成的晶體管數(shù)量越來越多，性能也越來越強(qiáng)，在這個(gè)過程中，一直遵循著摩爾定律推進(jìn)。如果將其置入到實(shí)際消費(fèi)市場(chǎng)中，就體現(xiàn)為大概每隔兩年，新發(fā)布的手機(jī)或者電腦等電子產(chǎn)品，性能會(huì)遠(yuǎn)比前代的產(chǎn)品高出不少。

然而進(jìn)入21世紀(jì)后，單純依靠縮小尺寸的做法正走向窮途末路。不過，摩爾定律總能抓住一些“救命稻草”。在90納米時(shí)代，應(yīng)變硅技術(shù)問世。在45納米時(shí)代，一種能提高晶體管電容的新材料推出。在22納米時(shí)代，三柵極晶體管使芯片性能變得更強(qiáng)大。

但值得注意的是，摩爾定律還被附加了經(jīng)濟(jì)色彩。除了性能之外，成本/價(jià)格的同時(shí)下降也被視作參考標(biāo)準(zhǔn)。按照摩爾定律，芯片被要求在18~24個(gè)月的時(shí)間里，“既讓性能翻一倍，又讓價(jià)格降一倍”。

根據(jù)AMD在IEDM會(huì)議上的資料，若將生產(chǎn)250平方毫米的45納米芯片的生產(chǎn)成本基準(zhǔn)定為1，14/16納米芯片的成本將達(dá)到2，而生產(chǎn)7納米 芯片的成本更將翻倍達(dá)到4。

這也是關(guān)于摩爾定律的唱衰言論層出不窮的主要原因。中芯國際創(chuàng)始人張汝京在2014年接受媒體采訪時(shí)表示，摩爾定律極限是14納米，但是隨著相關(guān)廠商在封裝技術(shù)與材料方面的優(yōu)勢(shì)，該極限可擴(kuò)充至7納米。

半導(dǎo)體風(fēng)云人物、臺(tái)積電創(chuàng)始人張忠謀于2014年也曾公開表示，摩爾定律正在茍延殘喘，預(yù)計(jì)還有5～6年壽命。而在2017年時(shí)，他認(rèn)為摩爾定律現(xiàn)在更多反映經(jīng)濟(jì)學(xué)定理，即單位晶體管的價(jià)格會(huì)每兩年減少一半，但在2025年就很難達(dá)到。

2014年國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖組織宣布，下一份路線圖將不再依照摩爾定律。張忠謀、黃仁勛等挑戰(zhàn)者更是認(rèn)定摩爾定律不過是茍延殘喘。

而在此前9月21日的2022 GTC線上大會(huì)上，黃仁勛表示：“展望未來，基于摩爾定律的價(jià)格曲線已經(jīng)走到了盡頭，繼續(xù)利用這種趨勢(shì)的機(jī)會(huì)已經(jīng)結(jié)束，” 黃仁勛表示，“所以，如果你想以一種劃算的方法進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算，經(jīng)過我們15年、差不多20年來對(duì)加速計(jì)算的不懈追求，寬泛而言，加速計(jì)算是真正的前進(jìn)方向。”

IPG中國首席經(jīng)濟(jì)學(xué)家柏文喜對(duì)記者表示，業(yè)內(nèi)認(rèn)為摩爾定律已“死”的原因是技術(shù)進(jìn)步和成本下降都呈邊際遞減趨勢(shì)，認(rèn)為邊際遞減效應(yīng)阻礙了摩爾定律的發(fā)展。

“摩爾定律提出的前三十年，新工藝制程的研發(fā)并不困難，但隨著特征尺寸越來越接近宏觀物理和量子物理的邊界，現(xiàn)在高級(jí)工藝制程的研發(fā)越來越困難，研發(fā)成本也越來越高?！狈饺诳萍几呒?jí)工程師、科技部國家科技專家周迪對(duì)記者分析道，摩爾定律發(fā)展到特征尺寸5納米的時(shí)候，繼續(xù)簡單粗暴地縮小特征尺寸會(huì)變得很困難。隨著特征尺寸縮小，芯片的成本上升很快。這也部分地打破了摩爾定律 “投資發(fā)展制程——芯片生產(chǎn)成本降低——用部分利潤繼續(xù)投資發(fā)展制程”的邏輯。

疊加效應(yīng)

與認(rèn)為摩爾定律“已死”的人一樣，認(rèn)為摩爾定律還“活著”的人也大有人在。其中英特爾CEO基辛格不止一次地在公開場(chǎng)合重申，摩爾定律在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)依然奏效。

北京時(shí)間9月28日凌晨，Intel Innovation 2022開幕活動(dòng)上，基辛格再次強(qiáng)調(diào)：“摩爾定律活得很好。摩爾定律——至少在未來的十年里依然有效。英特爾將一往無前，挖掘元素周期表中的無限可能，持續(xù)釋放硅的神奇力量?！?/p>

柏文喜認(rèn)為：“基辛格認(rèn)為摩爾定律依然有效，是有依據(jù)的，因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步與成本下降并非一直呈線性發(fā)展的，而是存在迭代、變軌與疊加的效應(yīng)，他認(rèn)為還能存在十年也是有道理的?！?/p>

而在陳佳看來，“現(xiàn)在全球芯片產(chǎn)業(yè)制程工藝已大幅放緩。無論是移動(dòng)端還是PC端芯片都沒辦法做到每隔兩年縮短一半制程。這似乎意味著站在全球半導(dǎo)體行業(yè)角度，摩爾定律已經(jīng)失效了，但有意思的是——全球半導(dǎo)體行業(yè)依然尊重并利用摩爾定律來定義新的制程工藝，哪怕根本沒有達(dá)到規(guī)定時(shí)間減半的能力。舉個(gè)例子，當(dāng)前半導(dǎo)體行業(yè)最先進(jìn)制程工藝是3納米，但實(shí)際上不僅三星與臺(tái)積電的真實(shí)制程差異極大，也都遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到物理意義上的3納米，這是行規(guī)，大家不點(diǎn)破罷了?！?/p>

上海社會(huì)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)學(xué)博士王瀅波則認(rèn)為，事實(shí)上，十幾年前就有觀點(diǎn)認(rèn)為摩爾定律已經(jīng)達(dá)到極限，然而技術(shù)發(fā)展則在不斷打破極限，臺(tái)積電的先進(jìn)制程已經(jīng)逼近1納米，斷言摩爾定律終結(jié)為時(shí)尚早。技術(shù)發(fā)展沒有極限，即使物理上受限，仍然可以通過并行計(jì)算等其他方式實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的持續(xù)增長。從計(jì)算能力上而言，摩爾定律可能沒有極限，永遠(yuǎn)不會(huì)終結(jié)，這個(gè)世界對(duì)于算力的需求是無窮無盡的。

周迪補(bǔ)充道：“晶體管盲目發(fā)展更小的尺寸這條路的確是不會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)下去的，但這并不意味著建設(shè)更復(fù)雜、功能更強(qiáng)大的電子系統(tǒng)的時(shí)代即將結(jié)束。世界一定還需要更多智慧器件，數(shù)字革命只是剛剛開始，既然沒有其他的科技能夠取代半導(dǎo)體來做數(shù)字功能和智慧器件的基礎(chǔ)，那么半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)就有長達(dá)百年的遠(yuǎn)景。深度摩爾、超越摩爾、新器件是目前產(chǎn)業(yè)的三個(gè)大方向。器件優(yōu)化重心漸漸地從性能轉(zhuǎn)移到了功耗。系統(tǒng)性能提升不再單純地依賴晶體管特征尺寸縮小，而是更多地靠電路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)算法優(yōu)化。人們正在一刻不停地挑戰(zhàn)并推進(jìn)極限。而且必然總會(huì)有一個(gè)突破口?！?/p>