摩爾定律58周年：世上再無(wú)戈登·摩爾
編輯 | 漠影
芯東西4月19日報道，58年的今天，戈登·摩爾提出“摩爾定律”，當時(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”成為半導體產(chǎn)業(yè)圣經(jīng)般的存在，一直指導微芯片的演進(jìn)，載著(zhù)信息時(shí)代飛速前行，讓曾經(jīng)只是幻想的各種便攜消費電子產(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，推動(dòng)了世界范圍內的重大技術(shù)進(jìn)步。從笨重的臺式計算機，到輕薄的筆記本電腦，再到更輕便的平板電腦、智能手機、智能手表，這一切進(jìn)步都緊隨著(zhù)摩爾定律的步調。摩爾留下的無(wú)形財產(chǎn)，改變了全球數十億人的生活。而這一切的定調者戈登·摩爾，于今年3月24日在夏威夷的家中與世長(cháng)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)展速度與計算機一樣快，“每加侖汽油可以行駛100,000英里，而且購買(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)能塞下多達數千億個(gè)晶體管，為需要龐大數據和計算量的人工智能系統提供算力支撐。英特爾以及眾多芯片制造商們，還在繼續努力答好這位硅谷先驅留下的考卷：進(jìn)入后摩爾時(shí)代，“摩爾定律”還能續寫(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)濟回報，并贏(yíng)得下一場(chǎng)計算革命的話(huà)語(yǔ)權。
▲2005年，摩爾手持硅晶圓
01.改變世界的一則預言
▲摩爾定律論文的原始草稿（圖源：芯片歷史中心半導體虛擬博物館）
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)驗證的理論，而是一個(gè)戈登·摩爾根據觀(guān)察到的數據總結出來(lái)的預言。按此規律演進(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，他預見(jiàn)了這些更加強大的芯片的潛在應用，“集成電路將會(huì )催生家用電腦、汽車(chē)自動(dòng)控制和個(gè)人便攜式通信設備等奇跡”。
▲摩爾的論文中包含這幅漫畫(huà)，預測計算機將與其他消費品一起銷(xiāo)售的時(shí)間
事實(shí)證明，摩爾精準預見(jiàn)了十年后的未來(lái)。根據他的預測，到1975年，最先進(jìn)的微芯片應該能夠容納多達65000個(gè)晶體管。當年發(fā)布的一個(gè)新的內存芯片系列的實(shí)際晶體管數量是65536個(gè)。為了更好反映晶體管密度的實(shí)際增長(cháng)，摩爾定律被修正為：芯片中集成的晶體管數量，大約每?jì)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存儲芯片廠(chǎng)商之一成功轉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，再有遠見(jiàn)的預言終究迎來(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，曾經(jīng)高舉“破壞性創(chuàng )新”戰旗的英特爾也深陷大象轉身難的窘境，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)新靈感如何對世界進(jìn)行摧枯拉朽的破壞與重塑，許多半導體產(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，讓它繼續扮演引領(lǐng)科技發(fā)展的燈塔。英特爾現任CEO基辛格在戈登·摩爾的悼詞中表達了對摩爾定律的執著(zhù)追求：“在英特爾，我們仍然受到摩爾定律的啟發(fā)，并將一直追求摩爾定律，直到元素周期表用盡?！?/span>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，仙童半導體聲名鵲起，成立不到半年就躍居第二大半導體巨頭，地位僅次于另一家美國老牌半導體巨頭德州儀器。仙童半導體也成為孕育硅谷半導體人才的沃土。1969年，在森納瓦舉行過(guò)一次半導體產(chǎn)業(yè)頭面人物的會(huì )議，有人專(zhuān)門(mén)做了統計，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)機會(huì )?！鞍伺淹健背蓡T再次陸續叛逃，最后諾伊斯和摩爾也決議出走，帶著(zhù)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：諾伊斯生性灑脫，豁達正直，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(zhù)謙和，為英特爾提供了穿越周期的核心力量；格魯夫性格強硬偏執，展現出超群的經(jīng)商謀略與管理智慧，領(lǐng)導英特爾在復雜多變的競爭環(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年期間擔任英特爾CEO，并一直擔任英特爾董事長(cháng)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)注于半導體存儲器，結果被正值盛世的日本存儲芯片巨頭打得節節敗退，幾乎沒(méi)有生存空間。摩爾與格魯夫毅然決定，放棄存儲器市場(chǎng)，轉型做微處理器，從此一舉奠定了英特爾30年的世界半導體霸主地位。1992年，英特爾成為全球最大的半導體公司，銷(xiāo)售額達58億美元，利潤首次突破10億美元。1995年，英特爾累計生產(chǎn)了1.6億顆芯片，其微處理器已經(jīng)進(jìn)入全球80%的計算機中。到1997年，英特爾的銷(xiāo)售額已經(jīng)高達250億美元，市值達1147億美元，格魯夫成為美國《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(cháng)期領(lǐng)先于競爭對手。2011年，英特爾對晶體管設計進(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年制程升級放緩
但到2010年代中后期，圍繞“摩爾定律將死”的預測開(kāi)始沸沸揚揚。物理尺寸微縮日漸瀕臨物理極限，工藝節點(diǎn)迭代在密度、性能和功耗方面的優(yōu)化效果不再顯著(zhù)，升級到更先進(jìn)制程的芯片設計和生產(chǎn)成本卻急劇上升。業(yè)界意識到必須引入其他領(lǐng)域的創(chuàng )新，才能進(jìn)一步續命摩爾定律。
▲隨著(zhù)制程升級，250mm Die成本迅速提升
而摩爾定律的“嫡系”踐行者英特爾，一邊竭力捍衛著(zhù)摩爾定律的可行性，另一邊卻在急劇加速的數字化進(jìn)程中亂了自己的陣腳，將最先進(jìn)制程領(lǐng)導者的殊榮拱手相讓。2014年，英特爾開(kāi)始量產(chǎn)14nm FinFET，此時(shí)臺積電和三星還在20nm徘徊。此時(shí)僅從字面上的納米數字就能看出英特爾的領(lǐng)先地位。
▲半導體代工廠(chǎng)制程路線(xiàn)圖（來(lái)源：Anysilicon）
然而兩年足以令產(chǎn)業(yè)驟變。2016年，臺積電和三星的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(shuō)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，繼而將大規模量產(chǎn)時(shí)間推到2020年。不過(guò)，單從納米數字來(lái)比較，對英特爾多少是不公平的。因為臺積電和三星都在制程節點(diǎn)的命名上玩了點(diǎn)文字游戲。同樣叫10nm，臺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(zhù)大約三年的領(lǐng)先性”，并不是說(shuō)大話(huà)。
▲英特爾、臺積電、三星10nm技術(shù)密度對比
但隨著(zhù)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)的主導權已經(jīng)一步一步移交到臺積電的手中。從2018年下半年開(kāi)始，臺積電7nm已經(jīng)全面量產(chǎn)，相應收入也快速攀升，被蘋(píng)果A12、華為麒麟980、高通驍龍855等當時(shí)最先進(jìn)的旗艦智能手機芯片采用，而三星的7nm遲遲未見(jiàn)商用。趁著(zhù)這個(gè)時(shí)間窗口，臺積電很快在7nm以及隨后2020年開(kāi)打的5nm制程商用之戰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)。根據全年財報，臺積電2022財年營(yíng)收達759億美元，凈利潤341億美元；英特爾2022財年營(yíng)收下滑至631億美元，凈利潤從往年的200億美元左右跌至80億美元。
▲英特爾2018財年~2022財年凈利潤變化
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戰略，推出英特爾代工服務(wù)，并公布全新的制程節點(diǎn)命名，計劃4年更迭5個(gè)節點(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點(diǎn)Intel 20A和Intel 18A工藝的開(kāi)發(fā)，計劃到2024年量產(chǎn)。按照英特爾的預言，摩爾定律仍將延續，到2030年，半導體行業(yè)將邁入“萬(wàn)億時(shí)代”：全球半導體市場(chǎng)的規模將達到一萬(wàn)億美元，單個(gè)封裝內將能夠集成一萬(wàn)億個(gè)晶體管，同時(shí)AI大模型萬(wàn)億級的參數規模也帶來(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(zhù)擴展單個(gè)芯片的能力放緩，業(yè)界已經(jīng)將視線(xiàn)轉向系統級創(chuàng )新，將摩爾定律的定義從晶體管密度的提升轉換成了芯片整體性能的提升。新器件、新材料、新存儲、新架構、2.5D/3D先進(jìn)封裝、軟件系統、high-NA EUV光刻等多方技術(shù)創(chuàng )新的組合升級將扮演越來(lái)越重要的角色。續命摩爾定律變得更具挑戰性，但技術(shù)創(chuàng )新永不枯竭。嚴格意義上摩爾定律的失效無(wú)可避免，但只要芯片從業(yè)者們繼續積極探尋突破計算瓶頸的新途徑，芯片性能的提升遠未達到盡頭。04.結語(yǔ)：傳奇人物謝幕，創(chuàng )新精神永存
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