摩爾定律58周年：世上再無(wú)戈登·摩爾
發(fā)布人：芯東西
時(shí)間：2023-04-22
來(lái)源：工程師
發(fā)布文章
加入技術(shù)交流群
掃碼加入
和技術(shù)大咖面對(duì)面交流
海量資料庫(kù)查詢(xún)
編輯 | 漠影
芯東西4月19日?qǐng)?bào)道，58年的今天，戈登·摩爾提出“摩爾定律”，當(dāng)時(shí)集成電路才誕生6年。就連摩爾本人也沒(méi)想到，從那以后，“摩爾定律”成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)圣經(jīng)般的存在，一直指導(dǎo)微芯片的演進(jìn)，載著信息時(shí)代飛速前行，讓曾經(jīng)只是幻想的各種便攜消費(fèi)電子產(chǎn)品走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。摩爾的工作造就了硅谷，催生了個(gè)人電腦（PC）以及蘋(píng)果、谷歌、微軟等巨頭的出現(xiàn)，推動(dòng)了世界范圍內(nèi)的重大技術(shù)進(jìn)步。從笨重的臺(tái)式計(jì)算機(jī)，到輕薄的筆記本電腦，再到更輕便的平板電腦、智能手機(jī)、智能手表，這一切進(jìn)步都緊隨著摩爾定律的步調(diào)。摩爾留下的無(wú)形財(cái)產(chǎn)，改變了全球數(shù)十億人的生活。而這一切的定調(diào)者戈登·摩爾，于今年3月24日在夏威夷的家中與世長(zhǎng)辭，享年94歲。
▲摩爾定律的提出者戈登·摩爾（圖源：英特爾）
1960年代，當(dāng)摩爾開(kāi)始涉足電子領(lǐng)域時(shí)，單個(gè)硅晶體管的售價(jià)為150美元。后來(lái)，10美元可以購(gòu)買(mǎi)超過(guò)1億個(gè)晶體管。摩爾曾寫(xiě)道，如果汽車(chē)的發(fā)展速度與計(jì)算機(jī)一樣快，“每加侖汽油可以行駛100,000英里，而且購(gòu)買(mǎi)勞斯萊斯汽車(chē)比停放它更便宜?！?/span>今天，一顆芯片已經(jīng)能塞下多達(dá)數(shù)千億個(gè)晶體管，為需要龐大數(shù)據(jù)和計(jì)算量的人工智能系統(tǒng)提供算力支撐。英特爾以及眾多芯片制造商們，還在繼續(xù)努力答好這位硅谷先驅(qū)留下的考卷：進(jìn)入后摩爾時(shí)代，“摩爾定律”還能續(xù)寫(xiě)多久？無(wú)論這個(gè)問(wèn)題的答案如何，歷史已經(jīng)證明，誰(shuí)能率先將更小、更精密、更強(qiáng)大的新一代芯片推向市場(chǎng)，誰(shuí)就能夠獲得巨大的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，并贏得下一場(chǎng)計(jì)算革命的話(huà)語(yǔ)權(quán)。
▲2005年，摩爾手持硅晶圓
01.改變世界的一則預(yù)言
▲摩爾定律論文的原始草稿（圖源：芯片歷史中心半導(dǎo)體虛擬博物館）
這被稱(chēng)為“摩爾定律”的術(shù)語(yǔ)，并非科學(xué)意義上經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的理論，而是一個(gè)戈登·摩爾根據(jù)觀察到的數(shù)據(jù)總結(jié)出來(lái)的預(yù)言。按此規(guī)律演進(jìn)，芯片的功能和性能得以一路提升，同時(shí)成本一路下降。在論文中，他預(yù)見(jiàn)了這些更加強(qiáng)大的芯片的潛在應(yīng)用，“集成電路將會(huì)催生家用電腦、汽車(chē)自動(dòng)控制和個(gè)人便攜式通信設(shè)備等奇跡”。
▲摩爾的論文中包含這幅漫畫(huà)，預(yù)測(cè)計(jì)算機(jī)將與其他消費(fèi)品一起銷(xiāo)售的時(shí)間
事實(shí)證明，摩爾精準(zhǔn)預(yù)見(jiàn)了十年后的未來(lái)。根據(jù)他的預(yù)測(cè)，到1975年，最先進(jìn)的微芯片應(yīng)該能夠容納多達(dá)65000個(gè)晶體管。當(dāng)年發(fā)布的一個(gè)新的內(nèi)存芯片系列的實(shí)際晶體管數(shù)量是65536個(gè)。為了更好反映晶體管密度的實(shí)際增長(zhǎng)，摩爾定律被修正為：芯片中集成的晶體管數(shù)量，大約每?jī)赡攴环?。不久之后，芯片與軟件的迅猛發(fā)展將世界推進(jìn)波瀾壯闊的信息時(shí)代。
▲《在集成電路上容納更多組件》論文中配圖
戈登·摩爾參與創(chuàng)辦的英特爾也迅速崛起，從被日企按地摩擦的美國(guó)存儲(chǔ)芯片廠商之一成功轉(zhuǎn)型成為全球最大的微處理器與芯片制造巨頭。盡管時(shí)過(guò)境遷，再有遠(yuǎn)見(jiàn)的預(yù)言終究迎來(lái)了落伍的一天，摩爾定律不可避免地會(huì)因硅材料物理限制而走向終結(jié)，曾經(jīng)高舉“破壞性創(chuàng)新”戰(zhàn)旗的英特爾也深陷大象轉(zhuǎn)身難的窘境，但無(wú)論信息時(shí)代如何風(fēng)云變幻硝煙四起，無(wú)論一個(gè)個(gè)新靈感如何對(duì)世界進(jìn)行摧枯拉朽的破壞與重塑，許多半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上下游公司仍是摩爾定律的忠實(shí)信徒，他們正努力探索更多的途徑，通過(guò)更新摩爾定律的定義，讓它繼續(xù)扮演引領(lǐng)科技發(fā)展的燈塔。英特爾現(xiàn)任CEO基辛格在戈登·摩爾的悼詞中表達(dá)了對(duì)摩爾定律的執(zhí)著追求：“在英特爾，我們?nèi)匀皇艿侥柖傻膯l(fā)，并將一直追求摩爾定律，直到元素周期表用盡。”02.摩爾定律的誕生，黃金三角的聚首英特爾鼎盛時(shí)代的序幕
▲硅谷“八叛徒”合影
很快，仙童半導(dǎo)體聲名鵲起，成立不到半年就躍居第二大半導(dǎo)體巨頭，地位僅次于另一家美國(guó)老牌半導(dǎo)體巨頭德州儀器。仙童半導(dǎo)體也成為孕育硅谷半導(dǎo)體人才的沃土。1969年，在森納瓦舉行過(guò)一次半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)頭面人物的會(huì)議，有人專(zhuān)門(mén)做了統(tǒng)計(jì)，與會(huì)的400人中，只有24人沒(méi)在仙童公司干過(guò)。到1984年，從仙童直接或間接分出的公司已經(jīng)超過(guò)70家。在仙童期間，“八叛徒”的領(lǐng)袖人物羅伯特·諾伊斯發(fā)明了第一個(gè)單片集成電路，戈登·摩爾提出了摩爾定律的偉大預(yù)言，從加州大學(xué)伯克利分校博士畢業(yè)的安迪·格魯夫成為摩爾的得力助手。那是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的拓荒時(shí)期，技術(shù)的快速革新催生出洶涌的創(chuàng)業(yè)機(jī)會(huì)?！鞍伺淹健背蓡T再次陸續(xù)叛逃，最后諾伊斯和摩爾也決議出走，帶著格魯夫一起，于1968年7月18日共同創(chuàng)立了英特爾。一個(gè)新的硅谷傳奇就此拉開(kāi)序幕。諾伊斯、摩爾和格魯夫，這三位單拎出來(lái)都極其耀眼、足以青史留名的人物，構(gòu)成了業(yè)界罕見(jiàn)的黃金三角。
▲諾伊斯（圖左）、格魯夫（圖中）、摩爾（圖右）合影
三人的組合如此完美互補(bǔ)：諾伊斯生性灑脫，豁達(dá)正直，兼具成就與威望，僅用5分鐘就籌集到了250萬(wàn)美元的創(chuàng)業(yè)資金，奠定了英特爾的開(kāi)局；摩爾性情沉著謙和，為英特爾提供了穿越周期的核心力量；格魯夫性格強(qiáng)硬偏執(zhí)，展現(xiàn)出超群的經(jīng)商謀略與管理智慧，領(lǐng)導(dǎo)英特爾在復(fù)雜多變的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中渡過(guò)危局并成功登頂。70年代末期，諾伊斯開(kāi)始游離于英特爾的日常經(jīng)營(yíng)之外，公司交由摩爾和格魯夫打理。摩爾從1975年到1987年期間擔(dān)任英特爾CEO，并一直擔(dān)任英特爾董事長(zhǎng)到1997年，其CEO職位由日后被稱(chēng)作硅谷傳奇管理者的格魯夫接任。英特爾起初專(zhuān)注于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，結(jié)果被正值盛世的日本存儲(chǔ)芯片巨頭打得節(jié)節(jié)敗退，幾乎沒(méi)有生存空間。摩爾與格魯夫毅然決定，放棄存儲(chǔ)器市場(chǎng)，轉(zhuǎn)型做微處理器，從此一舉奠定了英特爾30年的世界半導(dǎo)體霸主地位。1992年，英特爾成為全球最大的半導(dǎo)體公司，銷(xiāo)售額達(dá)58億美元，利潤(rùn)首次突破10億美元。1995年，英特爾累計(jì)生產(chǎn)了1.6億顆芯片，其微處理器已經(jīng)進(jìn)入全球80%的計(jì)算機(jī)中。到1997年，英特爾的銷(xiāo)售額已經(jīng)高達(dá)250億美元，市值達(dá)1147億美元，格魯夫成為美國(guó)《時(shí)代》周刊年度人物。此后英特爾在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域長(zhǎng)期領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。2011年，英特爾對(duì)晶體管設(shè)計(jì)進(jìn)行了徹底的改變，2012年量產(chǎn)世界上第一個(gè)22nm 3D三柵極硅晶體管。與英特爾于1971年推出的首款微處理器4004相比，22nm處理器的運(yùn)行速度提高了4000倍以上，每個(gè)晶體管的能耗降低到原來(lái)的1/5000左右、價(jià)格下降到原來(lái)的約1/50000。
▲1970年~2010年英特爾芯片及制程演進(jìn)
直到2014年，同為摩爾定律堅(jiān)定信奉者的兩家亞洲晶圓代工巨頭，開(kāi)始向英特爾的“領(lǐng)導(dǎo)地位”發(fā)起猛烈的沖擊。03.摩爾定律“生死論”英特爾的失落與雄心
▲2015年~2020年制程升級(jí)放緩
但到2010年代中后期，圍繞“摩爾定律將死”的預(yù)測(cè)開(kāi)始沸沸揚(yáng)揚(yáng)。物理尺寸微縮日漸瀕臨物理極限，工藝節(jié)點(diǎn)迭代在密度、性能和功耗方面的優(yōu)化效果不再顯著，升級(jí)到更先進(jìn)制程的芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本卻急劇上升。業(yè)界意識(shí)到必須引入其他領(lǐng)域的創(chuàng)新，才能進(jìn)一步續(xù)命摩爾定律。
▲隨著制程升級(jí)，250mm Die成本迅速提升
而摩爾定律的“嫡系”踐行者英特爾，一邊竭力捍衛(wèi)著摩爾定律的可行性，另一邊卻在急劇加速的數(shù)字化進(jìn)程中亂了自己的陣腳，將最先進(jìn)制程領(lǐng)導(dǎo)者的殊榮拱手相讓。2014年，英特爾開(kāi)始量產(chǎn)14nm FinFET，此時(shí)臺(tái)積電和三星還在20nm徘徊。此時(shí)僅從字面上的納米數(shù)字就能看出英特爾的領(lǐng)先地位。
▲半導(dǎo)體代工廠制程路線圖（來(lái)源：Anysilicon）
然而兩年足以令產(chǎn)業(yè)驟變。2016年，臺(tái)積電和三星的10nm先后投入量產(chǎn)，英特爾卻仍在14nm裹足不前，開(kāi)始量產(chǎn)第二代14nm+。等2018年臺(tái)積電和三星挺進(jìn)7nm賽點(diǎn)，英特爾的10nm才姍姍來(lái)遲。英特爾10nm制程“難產(chǎn)”，早在2013年就初見(jiàn)端倪。一開(kāi)始有傳聞?wù)f英特爾將在2015年用10nm技術(shù)生產(chǎn)CPU，后來(lái)又說(shuō)推遲到2016年、2017年，繼而將大規(guī)模量產(chǎn)時(shí)間推到2020年。不過(guò)，單從納米數(shù)字來(lái)比較，對(duì)英特爾多少是不公平的。因?yàn)榕_(tái)積電和三星都在制程節(jié)點(diǎn)的命名上玩了點(diǎn)文字游戲。同樣叫10nm，臺(tái)積電的晶體管密度為4810萬(wàn)個(gè)/mm2，三星的是每平方毫米5160萬(wàn)個(gè)/mm2，而英特爾的10nm晶體管密度達(dá)到了1.008億個(gè)/mm2，接近三星的7nm晶體管密度（1.0123億個(gè)/mm2）。因此英特爾在2017年下半年還公開(kāi)宣稱(chēng)“在制程工藝上保持著大約三年的領(lǐng)先性”，并不是說(shuō)大話(huà)。
▲英特爾、臺(tái)積電、三星10nm技術(shù)密度對(duì)比
但隨著7nm開(kāi)始量產(chǎn)落地，無(wú)論從技術(shù)領(lǐng)先性還是銷(xiāo)售額來(lái)看，全球芯片制造行業(yè)的主導(dǎo)權(quán)已經(jīng)一步一步移交到臺(tái)積電的手中。從2018年下半年開(kāi)始，臺(tái)積電7nm已經(jīng)全面量產(chǎn)，相應(yīng)收入也快速攀升，被蘋(píng)果A12、華為麒麟980、高通驍龍855等當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的旗艦智能手機(jī)芯片采用，而三星的7nm遲遲未見(jiàn)商用。趁著這個(gè)時(shí)間窗口，臺(tái)積電很快在7nm以及隨后2020年開(kāi)打的5nm制程商用之戰(zhàn)中取得壓倒性的勝利。三星則一路快馬加鞭，在2022年6月成功拔得3nm量產(chǎn)的頭籌，臺(tái)積電3nm也于同年下半年量產(chǎn)。兩家的2nm都將在2025年量產(chǎn)。根據(jù)全年財(cái)報(bào)，臺(tái)積電2022財(cái)年?duì)I收達(dá)759億美元，凈利潤(rùn)341億美元；英特爾2022財(cái)年?duì)I收下滑至631億美元，凈利潤(rùn)從往年的200億美元左右跌至80億美元。
▲英特爾2018財(cái)年~2022財(cái)年凈利潤(rùn)變化
但眼下還不是氣餒的時(shí)候。近三年，英特爾正加快追趕的腳步，2021年宣布IDM 2.0戰(zhàn)略，推出英特爾代工服務(wù)，并公布全新的制程節(jié)點(diǎn)命名，計(jì)劃4年更迭5個(gè)節(jié)點(diǎn)，到2025年重奪制程技術(shù)的領(lǐng)先地位。目前英特爾已完成其前兩代埃米節(jié)點(diǎn)Intel 20A和Intel 18A工藝的開(kāi)發(fā)，計(jì)劃到2024年量產(chǎn)。按照英特爾的預(yù)言，摩爾定律仍將延續(xù)，到2030年，半導(dǎo)體行業(yè)將邁入“萬(wàn)億時(shí)代”：全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)到一萬(wàn)億美元，單個(gè)封裝內(nèi)將能夠集成一萬(wàn)億個(gè)晶體管，同時(shí)AI大模型萬(wàn)億級(jí)的參數(shù)規(guī)模也帶來(lái)了前所未有的市場(chǎng)需求。
▲英特爾從90nm到Intel 18A節(jié)點(diǎn)所采用的一系列前沿技術(shù)
此時(shí)此刻，其實(shí)摩爾定律是否失效這個(gè)問(wèn)題，答案早已不那么重要。隨著擴(kuò)展單個(gè)芯片的能力放緩，業(yè)界已經(jīng)將視線轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)新，將摩爾定律的定義從晶體管密度的提升轉(zhuǎn)換成了芯片整體性能的提升。新器件、新材料、新存儲(chǔ)、新架構(gòu)、2.5D/3D先進(jìn)封裝、軟件系統(tǒng)、high-NA EUV光刻等多方技術(shù)創(chuàng)新的組合升級(jí)將扮演越來(lái)越重要的角色。續(xù)命摩爾定律變得更具挑戰(zhàn)性，但技術(shù)創(chuàng)新永不枯竭。嚴(yán)格意義上摩爾定律的失效無(wú)可避免，但只要芯片從業(yè)者們繼續(xù)積極探尋突破計(jì)算瓶頸的新途徑，芯片性能的提升遠(yuǎn)未達(dá)到盡頭。04.結(jié)語(yǔ)：傳奇人物謝幕，創(chuàng)新精神永存
*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀點(diǎn)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系工作人員刪除。
