2029年，半導體行業(yè)「奇點(diǎn)」來(lái)臨

當筆者在讀到美國發(fā)明家雷·庫茲韋爾（Ray Kurzweil）的著(zhù)作《后人類(lèi)》時(shí)，我意識到：「能力呈指數級提高的人工智能（AI）將在 2045 年惠及全人類(lèi)?！?/p>本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202501/466471.htm

當人工智能（AI）超過(guò)人類(lèi)智力時(shí)，技術(shù)奇點(diǎn)就會(huì )到來(lái)。

我想：一個(gè)類(lèi)似于科幻電影《終結者》那樣的世界，軍事計算機「天網(wǎng)」將人類(lèi)視為敵人并發(fā)動(dòng)核戰爭的世界可能即將到來(lái)。

庫茲韋爾在接受記者采訪(fǎng)時(shí)表示：「當我宣布人工智能超越人類(lèi)的預測時(shí)，包括后來(lái)獲得諾貝爾獎的研究人員在內，沒(méi)有人同意還需要 100 年……到 2029 年，人工智能將擁有比人類(lèi)更高的智力……現在連 2029 年的預測都被認為是保守的?！?/p>

實(shí)際上，2024 年諾貝爾物理學(xué)獎將頒發(fā)給兩位發(fā)現并發(fā)明了 AI 基礎「機器學(xué)習」的研究人員；諾貝爾化學(xué)獎授予三位使用 AI 成功預測蛋白質(zhì)結構的科學(xué)家。也就是說(shuō)，有五位人工智能相關(guān)研究人員入選 2024 年諾貝爾獎獲得者。

在《后人類(lèi)》中，還需要 100 年的事情，在庫茲韋爾預測后的 19 年就發(fā)生了。英偉達的 GPU 等芯片為 AI 的進(jìn)步作出了重大貢獻。

在本文中，我們會(huì )先來(lái)預測由于 AI 產(chǎn)生的半導體需求，2030 年（奇點(diǎn)已經(jīng)到來(lái)后）全球半導體市場(chǎng)將增長(cháng)多少。之后，我們以每個(gè)封裝（芯片封裝）的每秒浮點(diǎn)運算次數作為指標，可以發(fā)現摩爾定律在加速。

此外，摩爾定律加速發(fā)展的因素之一是晶體管的持續變小，而 ASML 的 EUV 光刻機在持續地做出貢獻。最后，筆者會(huì )預測到 2050 年時(shí)候的全球半導體市場(chǎng)，并談?wù)勎业南敕ā?/p>

從某種意義上來(lái)說(shuō)，我們已經(jīng)達到了技術(shù)奇點(diǎn)。

2025 年到 2030 年，全球半導體市場(chǎng)

圖 1 各類(lèi)半導體出貨量及半導體總量預測 來(lái)源：ASML

上圖是 2024 年在 ASML 投資者日是展示的 PPT，主題是「終端市場(chǎng)、晶圓需求和光刻支出」。這張圖展示了從 2025 年到 2030 年中，各種電子設備（例如智能手機、個(gè)人電腦、消費者、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)基礎設施、服務(wù)器、數據中心和存儲、汽車(chē)和工業(yè)設備）的增長(cháng)量，同時(shí)還有全球半導體行業(yè)的增長(cháng)情況。從圖中可以看出，半導體市場(chǎng)能夠增長(cháng)多少。

圖 1 中，展示了兩種類(lèi)型的預測趨勢：CMD 2022 和 CMD 2024。CMD 2022 是基于 2022 年對 2025 年至 2030 年半導體市場(chǎng)的預測；CMD 2024 則是基于 2024 年對 2025 年至 2030 年半導體市場(chǎng)的預測。

這兩種預測方式的區別在于，有沒(méi)有反映了生成式 AI 帶來(lái)的全球繁榮、有沒(méi)有考慮 2023—2024 年的半導體衰退。

2022 年 11 月 30 日，Open AI 發(fā)布了 ChatGPT，因此基于 CMD 2022 的預測沒(méi)有考慮生成的 AI 的影響。由于半導體行業(yè)在 2023-2024 年進(jìn)入周期衰退，因此 CMD 2022 中沒(méi)有考慮該影響，僅在 CMD 2024 中反映了周期衰退的影響。

了解了以上情況，再仔細看圖 1，可以發(fā)現 CMD 2022 中除服務(wù)器、數據中心和存儲之外的電子設備的半導體出貨量，都將比 CMD 2024 更大，不過(guò)增速都是個(gè)位數，增幅不是很大。

三大領(lǐng)域，推動(dòng) 2025 年后半導體市場(chǎng)發(fā)展

服務(wù)器、數據中心、存儲都將在 2024 年后推動(dòng)半導體市場(chǎng)的發(fā)展。基于 CMD 2024 的各種電子設備半導體的預測如下。

智能手機半導體的市場(chǎng)到 2025 年將達到 1,490 億美元，預計將以每年 5% 的速度增長(cháng)，到 2030 年將達到 1,920 億美元。

PC 半導體在 2025 年市場(chǎng) 920 億美元，將以每年 4% 的速度增長(cháng)，到 2030 年達到 1120 億美元。

消費半導體的市場(chǎng)在 2025 年達到 700 億美元，將以每年 3% 的速度增長(cháng)，到 2030 年達到 830 億美元。

用于有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)基礎設施的半導體市場(chǎng)到 2025 年將達到 530 億美元，將以每年 6% 的速度增長(cháng)，到 2030 年將達到 700 億美元。

汽車(chē)半導體2025 年市場(chǎng) 760 億美元，將以每年 9% 的速度增長(cháng)，到 2030 年達到 1140 億美元。汽車(chē)半導體的增長(cháng)率位居第二，僅次于服務(wù)器和數據中心及存儲半導體。

工業(yè)半導體2025 年市場(chǎng) 840 億美元，將以每年 7% 的速度增長(cháng)，到 2030 年達到 1200 億美元。

在預測中，唯一預計 CMD 2024 增長(cháng)速度快于 CMD 2022 的半導體行業(yè)是服務(wù)器、數據中心和存儲的半導體，其規模將從 2025 年的 1560 億美元以每年 18% 的速度增長(cháng)，到 2030 年達到 3610 億美元。用于服務(wù)器、數據中心和存儲的半導體在各種電子設備中增長(cháng)率最高，2030 年的預測值也最高。

據預測，到 2025 年，全球半導體市場(chǎng)將達到 6790 億美元的規模，并將以每年 9% 的復合增長(cháng)率持續擴張，預計至 2030 年，該市場(chǎng)價(jià)值將攀升至 1.51 萬(wàn)億美元。

在全球半導體市場(chǎng)中，各細分領(lǐng)域的市場(chǎng)份額從高至低依次為：服務(wù)器、數據中心及存儲占比 34%，智能手機占 18%，工業(yè)用途占 11%，汽車(chē)領(lǐng)域占 10%，個(gè)人電腦約占 10%，消費者領(lǐng)域占 7%，有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)基礎設施領(lǐng)域占 6%。

基于上述分析，服務(wù)器、數據中心以及存儲領(lǐng)域所使用的半導體將成為 2025 年至 2030 年期間全球半導體市場(chǎng)的主要推動(dòng)力。由于 AI 半導體也包含在其中，可以得出結論：AI 將成為半導體市場(chǎng)增長(cháng)的主要驅動(dòng)力。

接下來(lái)，探討的問(wèn)題是：驅動(dòng)全球市場(chǎng)的 AI 半導體的能力將如何提升？

兩年翻一番的摩爾定律

迄今為止，摩爾定律通常被理解為每?jì)赡?，單個(gè)芯片上集成的晶體管數量將翻一番。然而，在未來(lái)，「單個(gè)芯片」的概念可能將失去其重要性，而「單個(gè)封裝」的重要性將日益凸顯。因為將各種芯片集成到單個(gè)封裝中并作為單個(gè)系統運行的「小芯片」（Chiplet）將成為主流。

圖 2 ASML 新任 CEO 在 ASML 投資者日上展示的 PPT

如果我們將單個(gè)封裝的晶體管數量作為圖表的縱軸，則可以預測晶體管數量每?jì)赡暝黾右槐兜摹改柖伞箤⒊掷m下去（圖 2）。因此，到 2030 年，半導體的每個(gè)封裝中將集成一萬(wàn)億個(gè)晶體管。換句話(huà)說(shuō)，摩爾定律仍然成立。

此外，如果我們在圖表的縱軸上繪制「單個(gè)封裝」的計算速度，我們可以看到帶來(lái)「技術(shù)奇點(diǎn)」的新視角。

以計算速度為縱軸的「新摩爾定律」

圖 3 2010 年代，單個(gè)封裝計算速度 2 年內增長(cháng) 16 倍（能耗 2 年內增長(cháng) 5 倍） 來(lái)源：ASML

倘若我們在垂直坐標軸上描繪出單個(gè)封裝下的計算處理速度，便能觀(guān)察到自 21 世紀 10 年代起，該速度經(jīng)歷了顯著(zhù)的變革（參見(jiàn)圖 3 上半部分）。由于人工智能的需求，計算速度每?jì)赡暝黾右槐?，預計兩年內將增加 16 倍。這就是新的摩爾定律。

另一方面，從縱軸看單個(gè)封裝的能耗，兩年內下降了 60%，但由于人工智能的需求，兩年內將增加五倍（參見(jiàn)圖 3 下半部分）。這是很危險的，單個(gè)封裝的能耗增加讓芯片產(chǎn)生了巨大的熱量。

作為解決這一問(wèn)題的對策，光通信將變得至關(guān)重要。目前，數據中心內的服務(wù)器之間或容納服務(wù)器的機架之間的通信正在使用光而不是電。未來(lái)，需要通過(guò)光學(xué)連接來(lái)連接機架中的各種芯片。

雖然能源消耗存在很大問(wèn)題，但是新摩爾定律帶來(lái)的高性能計算機是如何出現的呢？

超級計算機，每秒能執行 200 百億次

圖 4 生成式 AI 推動(dòng)摩爾定律，但成本飆升 來(lái)源：ASML

圖 4 是超級計算機 Aurora，它由美國能源部 (DOE) 贊助，由英特爾和惠普企業(yè) (HPE) 開(kāi)發(fā)。

Aurora 的開(kāi)發(fā)成本為 5 億美元，初始計算速度為 2 exaFLOPS/s（每秒 200 百億次計算），但截至 2024 年 5 月，已達到 1.012 exaFLOPS。這款 Aurora 共有 85K 個(gè) CPU 和 GPU、230PB（PB）內存和 230PB 存儲。簡(jiǎn)而言之，Aurora 就像是一個(gè)非常先進(jìn)的芯片。

以 Aurora 為代表的超級計算機正在創(chuàng )造新的摩爾定律，即「2 年內計算速度提高 16 倍?！梗ǖ澈蟮膯?wèn)題是開(kāi)發(fā)成本太高，而且消耗大量能源）

這種超級計算機集成了大量的先進(jìn)的邏輯芯片、DRAM、SSD 以及其他半導體組件。ASML 的 High NA EUV 光刻機可以用來(lái)生產(chǎn)這類(lèi)尖端半導體產(chǎn)品。

接下來(lái)，我們一起看看 EUV 光刻機如何將芯片制程進(jìn)一步縮小的？

先進(jìn)邏輯芯片路線(xiàn)圖

圖 5 到 2039 年的先進(jìn)邏輯路線(xiàn)圖 來(lái)源：ASML

圖 5 展示了到 2039 年的邏輯芯片路線(xiàn)圖。截至 2024 年，臺積電能夠量產(chǎn)的最頂尖的節點(diǎn)是「N3」，晶體管為 FinFET，精細互連間距為 23 nm，采用 NA 為 0.33 的 EUV 光刻機（Low NA）。

在技術(shù)奇點(diǎn)到來(lái)的 2029 年，芯片工藝制程的技術(shù)節點(diǎn)是「A10」，晶體管將是第 3 代 Nanosheet（Gate All around / GAA），精細互連間距將是 18 nm，采用 NA 為 0.55 的 EUV 光刻機（High NA）。并且晶體管背面供電的背面供電網(wǎng)絡(luò )（BSPDN），有希望能夠投入實(shí)際使用。

圖 6 從 Low NA 到 High NA 來(lái)源：ASML

圖 6 展示了什么時(shí)候開(kāi)始使用 Low NA EUV 光刻機和 High NA EUV 光刻機。Low NA EUV 光刻機是在 2020 年開(kāi)始在 N5 節點(diǎn)上正式使用，臺積電的「N7+」首次嘗試，此外，Low NA 雙圖案技術(shù)是在 N5 至 N3 工藝節點(diǎn)中得到應用。

依據 ASML 的預測，2027 年將開(kāi)始采用 High NA 技術(shù)于 A14 節點(diǎn)，而 A10 節點(diǎn)左右將開(kāi)始采用 High NA 雙圖案化技術(shù)。

那么，先進(jìn)的邏輯芯片和 DRAM 中，EUV 實(shí)際會(huì )應用到多少種掩模上呢？

EUV 的使用量有多少？

圖 7 2030 年先進(jìn)邏輯和 DRAM 將使用多少層 EUV 和 High NA？ 來(lái)源：ASML

圖 7 顯示了從 2025 年到 2030 年，先進(jìn)邏輯和 DRAM 將使用多少層 EUV。

一開(kāi)始，用于先進(jìn)邏輯的 EUV 層預計到 2025 年將達到 19 至 21 層，然后以每年 10% 至 20% 的速度增長(cháng)，并在 2030 年增加至 25 至 30 層。其中，ASML 認為 High NA 將會(huì )是 4 到 6 層（圖 7 左圖）。

之后，將購買(mǎi)先進(jìn)DRAM 的 EUV 層數預計將在 2025 年達到 5 層，以每年 15%～25% 的速度增長(cháng)，并在 2030 年達到 7-10 層。其中，ASML 預測 High NA 將為 2 至 3 層（圖 7 右圖）。

關(guān)于 EUV 的總層數，我想「這就是它的本質(zhì)嗎？」筆者對于 High NA 的層數感到有點(diǎn)奇怪，尤其是對于先進(jìn) DRAM，筆者懷疑 High NA 可能不會(huì )被使用。因為 DRAM 應該會(huì )在 2030 年左右成為三維形式（類(lèi)似 NAND），如果 3D DRAM 量產(chǎn)的話(huà)，我認為不只是 High

NA，甚至 Low NA 也不需要這么多層。

話(huà)雖如此，我們還是來(lái)看看 EUV 的技術(shù)進(jìn)展。

High NA 和 Low NA 的路線(xiàn)圖

圖 8 Low NA (0.33NA) 和 High NA (0.55NA) EUV 路線(xiàn)圖 來(lái)源：ASML

2024 年，ASML 發(fā)布了 Low NA 的最新型號 NXE：3800E。NXE:3800E 的吞吐量現在為 220 片/小時(shí)，比之前型號 NXE:3600D 的 160 片/小時(shí)有了明顯改進(jìn)。此外，下一代型號 NXE：4000F 的目標是 250 片/小時(shí)，NXE：4200G 的目標是 280 片/小時(shí)或更多。

EUV 吞吐量指標發(fā)生了變化。以前，吞吐量以每天的曝光次數（晶圓/天）來(lái)表示，但從現在開(kāi)始，使用每小時(shí)的曝光次數（晶圓/小時(shí)）。實(shí)際上，這個(gè)指標更容易理解。

再來(lái)看 High NA，ASML 的目標是 2025 年實(shí)現量產(chǎn) EXE:5200B。這是繼 EXE:5000 之后的下一代 High NA EUV 光刻機。預計吞吐量將從 EXE:5000 的 110 片/小時(shí)增加到 175 片/小時(shí)。

此外，計劃于 2027 年推出吞吐量超過(guò) 185 片/小時(shí)的 EXE:5200C，并于 2029 年推出吞吐量超過(guò) 195 片/小時(shí)的 EXE:5400D。2032 年，NA 為 0.75 的 Hyper NA 也即將出現。這樣，EUV 就從 0.33NA（低 NA）、0.55NA（高 NA）和 0.75NA（超 NA）繼續發(fā)展。

ASML 正在全力開(kāi)發(fā)。

通用 EUV 模塊化和吞吐量提升

圖 9 低 NA (0.33) 到高 NA (0.55) 到超 NA (0.75) 來(lái)源：ASML

如圖 9 所示，光源、標線(xiàn)臺、晶圓臺等是 Low NA、High NA 和 Hyper NA 的通用模塊，而各代專(zhuān)用模塊僅針對我制作的鏡頭等光學(xué)系統開(kāi)發(fā)。

在 2024 年推出的低 NA NXE:3800E 中，ASML 巧妙地引入了一項關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)的核心在于，ASML 為極紫外光（EUV）光源設計了一個(gè)通用模塊，旨在實(shí)現從低數值孔徑（NA）到高數值孔徑乃至超高數值孔徑（超 NA）的持續技術(shù)演進(jìn)。

通過(guò)這種方式，NXE:3800E 的開(kāi)發(fā)和發(fā)貨目標是在未來(lái) 15 年或更長(cháng)時(shí)間內使用通用模塊。這是 ASML 非常典型的策略。

圖 10 吞吐量持續提高 來(lái)源：ASML

未來(lái)吞吐量將持續提升。對于低數值孔徑（NA）的設備，ASML 計劃將 NXE:3800E 的產(chǎn)能提升至每小時(shí)超過(guò) 200 片晶圓，目標是在 2030 年之前達到每小時(shí) 300 片晶圓。此外，對于高數值孔徑（NA）設備，目標是到 2030 年將產(chǎn)能從第一代 EXE:5000 的每小時(shí) 110 片晶圓提升至超過(guò) 200 片晶圓。

未來(lái)全球半導體市場(chǎng)預測

從前文可以看到，晶體管還會(huì )在未來(lái)的 15 年時(shí)間內繼續微縮下去，而這種不斷的小型化將很可能導致新摩爾定律的實(shí)現，其中每個(gè)封裝的計算速度在兩年內提高 16 倍。

圖 11 自 1990 年以來(lái)，全球半導體市場(chǎng)大約每 10 年翻一番 來(lái)源：根據 WSTS 數據和作者預測創(chuàng )建

在這里，我們再次對全球半導體市場(chǎng)的未來(lái)做出預測。此前，筆者曾寫(xiě)過(guò)，全球半導體市場(chǎng)將在 10 年內大約翻一番。

2022 年至 2024 年間，全球半導體市場(chǎng)規模約為 6000 億美元，十年后到 2032 年將翻一番，達到 1.2 萬(wàn)億美元。十年后，即 2042 年，這一數字將翻一番，達到 2.4 萬(wàn)億美元，再過(guò)十年，即 2052 年，這一數字將翻倍，達到 4.8 萬(wàn)億美元（圖 12）。

圖 12 如果 10 年內翻一番，2052 年將達到 4.8 萬(wàn)億美元 來(lái)源：根據 WSTS 數據和作者預測創(chuàng )建

奇點(diǎn)已經(jīng)到來(lái)了嗎？

在做出這些半導體市場(chǎng)預測時(shí)，筆者假設奇點(diǎn)將出現在 2045 年，即 20 多年后的遙遠未來(lái)。不過(guò)，正如開(kāi)頭介紹的那樣，庫茲韋爾先生表示，奇點(diǎn)將在 2029 年到來(lái)，比原計劃提前了 16 年。

寫(xiě)到這里，筆者腦海中略過(guò)了一個(gè)想法：奇點(diǎn)不是已經(jīng)在這里了嗎？

第一個(gè)跡象是，如圖 3 所示，單個(gè)封裝的計算速度從 2010 年代的「兩年內翻倍」迅速提高到 2020 年代的「兩年內翻了 16 倍」。第二個(gè)跡象是生成式 AI 的功能不斷增加和廣泛使用，例如 ChatGPT。

我此前認為奇點(diǎn)是電影《終結者》中出現的軍用計算機「天網(wǎng)」具有自我意識，「機器將人類(lèi)視為敵人并在微秒內發(fā)動(dòng)核攻擊」的情況。

然而，實(shí)際的奇點(diǎn)并不是這樣的。ChatGPT 會(huì )遍布全世界，很多人都會(huì )使用和依賴(lài)這種生成式 AI，這不是滲透到大腦中的東西嗎？如果這樣想的話(huà)，是不是可以說(shuō)奇點(diǎn)已經(jīng)到來(lái)了呢？

在撰寫(xiě)這篇手稿時(shí)，筆者使用了生成式 AI。至少對我來(lái)說(shuō)，奇點(diǎn)可能即將到來(lái)。