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

作者:秦梟 時(shí)間:2023-03-27 來(lái)源:中國經(jīng)營(yíng)報 收藏

“Moore’s Law: Alive and Well(活得很好)?!比涨?,英特爾CEO帕特·基辛格再次公開(kāi)表示。

本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/202303/444951.htm


但前不久,英偉達CEO黃仁勛還在向外界傳遞已“死”的觀(guān)點(diǎn)。黃仁勛說(shuō)道:“今天一個(gè)12英寸晶圓的價(jià)格不是貴了一點(diǎn),而是貴了超級多。死了,它結束了,結束得很徹底。芯片價(jià)格會(huì )隨時(shí)間降低的故事已經(jīng)是過(guò)去時(shí)了。計算已經(jīng)不再是個(gè)芯片問(wèn)題,是軟件和芯片共同的問(wèn)題?!?/p>


英特爾與英偉達之間關(guān)于摩爾定律的“生死”之爭,再度將該定律的“生命年限”問(wèn)題推至風(fēng)口浪尖上。多位半導體業(yè)內人士對《中國經(jīng)營(yíng)報》表示,黃仁勛與基辛格可能都沒(méi)有對,也都沒(méi)有錯,他們爭的并非字面上的摩爾定律,而是未來(lái)半導體行業(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(guò)觀(guān)察發(fā)現的行業(yè)發(fā)展規律。


1965年,時(shí)任仙童半導體公司研究開(kāi)發(fā)實(shí)驗室主任的戈登·摩爾為《電子學(xué)》雜志寫(xiě)了一篇觀(guān)察評論報告,在報告中摩爾提到,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量每18個(gè)月左右會(huì )翻番,半導體的性能與容量將以指數級增長(cháng),并且這種增長(cháng)趨勢將繼續延續下去。他的這種預測,被稱(chēng)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(zhuān)訪(fǎng)中透露,當年他在發(fā)表摩爾定律的文章時(shí),只是想分享趨勢觀(guān)察,沒(méi)想到該理論后來(lái)變成發(fā)展的定律。


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


許多人,包括摩爾本人在內都沒(méi)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 )一成不變地永遠繼續下去,大約還有10~15年就會(huì )發(fā)生變化?!叭魏我灾笖翟黾拥奈锢砹慷碱A示著(zhù)災難。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>


獨立國際策略研究員陳佳對記者表示,當時(shí),電腦處理器性能與時(shí)間存在線(xiàn)性關(guān)系;又因當時(shí)全球處理器市場(chǎng)被寡頭壟斷,導致其價(jià)格與時(shí)間也存在線(xiàn)性關(guān)系。在摩爾定律提出來(lái)的五十年間,全球半導體行業(yè)從未跳出來(lái)這個(gè)線(xiàn)性關(guān)系。


技術(shù)進(jìn)步和成本下降


雖然在過(guò)去數十年,摩爾定律一直在影響著(zhù)的發(fā)展,但也伴隨著(zhù)爭議,“摩爾定律已死”的說(shuō)法近十年的時(shí)間里從未間斷過(guò)。


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量越來(lái)越多,性能也越來(lái)越強,在這個(gè)過(guò)程中,一直遵循著(zhù)摩爾定律推進(jìn)。如果將其置入到實(shí)際消費市場(chǎng)中,就體現為大概每隔兩年,新發(fā)布的手機或者電腦等電子產(chǎn)品,性能會(huì )遠比前代的產(chǎn)品高出不少。


然而進(jìn)入21世紀后,單純依靠縮小尺寸的做法正走向窮途末路。不過(guò),摩爾定律總能抓住一些“救命稻草”。在90納米時(shí)代,應變硅技術(shù)問(wèn)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大。


但值得注意的是,摩爾定律還被附加了經(jīng)濟色彩。除了性能之外,成本/價(jià)格的同時(shí)下降也被視作參考標準。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)成本基準定為1,14/16納米芯片的成本將達到2,而生產(chǎn)7納米 芯片的成本更將翻倍達到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(fǎng)時(shí)表示,摩爾定律極限是14納米,但是隨著(zhù)相關(guān)廠(chǎng)商在封裝技術(shù)與材料方面的優(yōu)勢,該極限可擴充至7納米。


半導體風(fēng)云人物、臺積電創(chuàng )始人張忠謀于2014年也曾公開(kāi)表示,摩爾定律正在茍延殘喘,預計還有5~6年壽命。而在2017年時(shí),他認為摩爾定律現在更多反映經(jīng)濟學(xué)定理,即單位晶體管的價(jià)格會(huì )每?jì)赡隃p少一半,但在2025年就很難達到。


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


而在此前9月21日的2022 GTC線(xiàn)上大會(huì )上,黃仁勛表示:“展望未來(lái),基于摩爾定律的價(jià)格曲線(xiàn)已經(jīng)走到了盡頭,繼續利用這種趨勢的機會(huì )已經(jīng)結束,” 黃仁勛表示,“所以,如果你想以一種劃算的方法進(jìn)行大規模計算,經(jīng)過(guò)我們15年、差不多20年來(lái)對加速計算的不懈追求,寬泛而言,加速計算是真正的前進(jìn)方向?!?/p>


IPG中國首席經(jīng)濟學(xué)家柏文喜對記者表示,業(yè)內認為摩爾定律已“死”的原因是技術(shù)進(jìn)步和成本下降都呈邊際遞減趨勢,認為邊際遞減效應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(zhù)特征尺寸越來(lái)越接近宏觀(guān)物理和量子物理的邊界,現在高級工藝制程的研發(fā)越來(lái)越困難,研發(fā)成本也越來(lái)越高?!狈饺诳萍几呒壒こ處?、科技部國家科技專(zhuān)家周迪對記者分析道,摩爾定律發(fā)展到特征尺寸5納米的時(shí)候,繼續簡(jiǎn)單粗暴地縮小特征尺寸會(huì )變得很困難。隨著(zhù)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——用部分利潤繼續投資發(fā)展制程”的邏輯。



疊加效應


與認為摩爾定律“已死”的人一樣,認為摩爾定律還“活著(zhù)”的人也大有人在。其中英特爾CEO基辛格不止一次地在公開(kāi)場(chǎng)合重申,摩爾定律在依然奏效。


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


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


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


上海社會(huì )科學(xué)院經(jīng)濟學(xué)博士王瀅波則認為,事實(shí)上,十幾年前就有觀(guān)點(diǎn)認為摩爾定律已經(jīng)達到極限,然而技術(shù)發(fā)展則在不斷打破極限,臺積電的先進(jìn)制程已經(jīng)逼近1納米,斷言摩爾定律終結為時(shí)尚早。技術(shù)發(fā)展沒(méi)有極限,即使物理上受限,仍然可以通過(guò)并行計算等其他方式實(shí)現計算能力的持續增長(cháng)。從計算能力上而言,摩爾定律可能沒(méi)有極限,永遠不會(huì )終結,這個(gè)世界對于算力的需求是無(wú)窮無(wú)盡的。


周迪補充道:“晶體管盲目發(fā)展更小的尺寸這條路的確是不會(huì )永遠持續下去的,但這并不意味著(zhù)建設更復雜、功能更強大的電子系統的時(shí)代即將結束。世界一定還需要更多智慧器件,數字革命只是剛剛開(kāi)始,既然沒(méi)有其他的科技能夠取代半導體來(lái)做數字功能和智慧器件的基礎,那么半導體產(chǎn)業(yè)就有長(cháng)達百年的遠景。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移到了功耗。系統性能提升不再單純地依賴(lài)晶體管特征尺寸縮小,而是更多地靠電路設計以及系統算法優(yōu)化。人們正在一刻不停地挑戰并推進(jìn)極限。而且必然總會(huì )有一個(gè)突破口?!?/p>




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