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

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

但前不久，英偉達CEO黃仁勛還在向外界傳遞摩爾定律已“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。摩爾定律死了，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)變成半導體產(chǎn)業(yè)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)半導體產(chǎn)業(yè)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，摩爾定律在半導體產(chǎn)業(yè)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>