穿越60年的神話：摩爾定律最新發(fā)展

所有這些，無(wú)論以何種方式，都是達(dá)到一個(gè)目的的手段——進(jìn)一步縮小組件。

正如我們所注意到的，摩爾定律被用來(lái)創(chuàng)建一個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)自我組織的時(shí)間表。此時(shí)，我們可以參考“設(shè)備和系統(tǒng)國(guó)際路線圖”（IRDS）中列出的當(dāng)前時(shí)間表。

2023年路線圖的執(zhí)行摘要可免費(fèi)下載。這本書有64頁(yè)，讀起來(lái)很引人入勝，也不算太長(zhǎng)，它提供了許多關(guān)于光刻技術(shù)、材料科學(xué)、計(jì)量學(xué)和芯片制造過(guò)程其他關(guān)鍵方面可能發(fā)展的細(xì)節(jié)。

我們不打算在這里總結(jié)報(bào)告的內(nèi)容。相反，我們將只關(guān)注制造過(guò)程中可能終結(jié)摩爾定律的一個(gè)方面。

雖然摩爾定律的“頭條”并沒(méi)有直接指定更小的組件，但正如我們所看到的，在實(shí)踐中，通過(guò)所謂的“節(jié)點(diǎn)縮小”創(chuàng)建更小的組件一直是實(shí)現(xiàn)該定律預(yù)測(cè)的芯片上組件指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的關(guān)鍵。

在這一點(diǎn)上，我們需要澄清一個(gè)常見的誤解。也許對(duì)公眾理解摩爾定律最無(wú)益的貢獻(xiàn)是“過(guò)程節(jié)點(diǎn)”的命名。事實(shí)上，帶有物理長(zhǎng)度標(biāo)簽（如5納米、3納米、18納米等）的“節(jié)點(diǎn)大小描述”與組件的實(shí)際大小無(wú)關(guān)。毫不奇怪的是，人們普遍認(rèn)為我們正接近基本極限，因?yàn)榻M件的大小正在接近原子級(jí)。正如Samuel K. Moore在2020年IEEE Spectrum上發(fā)表的一篇副標(biāo)題為“是時(shí)候拋棄舊的摩爾定律指標(biāo)了”的文章中所述：

“畢竟，1納米只相當(dāng)于五個(gè)硅原子的寬度。因此，你完全可以認(rèn)為摩爾定律將很快終結(jié)，半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步將不再帶來(lái)處理能力的提升，固態(tài)器件工程是一條沒(méi)有未來(lái)的職業(yè)道路。然而，你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己想錯(cuò)了。半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)呈現(xiàn)出的畫面是不真實(shí)的。一個(gè)7納米晶體管的大部分關(guān)鍵特征實(shí)際上遠(yuǎn)大于7納米，而這種名稱與物理現(xiàn)實(shí)之間的脫節(jié)大約已經(jīng)有二十年的歷史了?！?/p>

Samuel K. Moore舉了一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明這在實(shí)踐中意味著什么：

IEEE國(guó)際設(shè)備與系統(tǒng)路線圖（IRDS）主席Gargini在4月份提出，該行業(yè)通過(guò)采用一種三數(shù)字指標(biāo)來(lái)“回歸現(xiàn)實(shí)”，該指標(biāo)結(jié)合了接觸柵極間距（G）、金屬間距（M）以及對(duì)未來(lái)芯片至關(guān)重要的芯片上器件的層數(shù)（T）。

“這三個(gè)參數(shù)是評(píng)估晶體管密度所需的全部信息，”ITRS負(fù)責(zé)人Gargini說(shuō)道。

IRDS（International Roadmap for Devices and Systems，國(guó)際器件與系統(tǒng)發(fā)展路線圖）顯示，即將到來(lái)的5納米芯片具有48納米的柵間距、36納米的金屬間距，以及一個(gè)單層結(jié)構(gòu)——這就是G48M36T1度量。雖然這并不容易讓人記住，但它所傳達(dá)的信息比“5納米節(jié)點(diǎn)”要實(shí)用得多。

因此，這些組件實(shí)際上比其節(jié)點(diǎn)名稱所暗示的要大得多。

盡管如此，這些組件仍然變得非常小！最終達(dá)到由EUV光刻技術(shù)的局限性而產(chǎn)生的極限。

當(dāng)然，我們以前也見過(guò)這樣的限制。EUV能夠突破DUV之前的限制，但代價(jià)是……。

節(jié)點(diǎn)縮減導(dǎo)致成本上升

這一成本將我們帶到了第二個(gè)潛在的失敗點(diǎn)，即需要為更復(fù)雜的集成電路創(chuàng)造或擴(kuò)大市場(chǎng)。不過(guò)，首先要注意的是，接下來(lái)是對(duì)制造芯片的基本經(jīng)濟(jì)學(xué)的某些方面的極其簡(jiǎn)化的討論。

值得注意的是，不僅集成電路上的組件數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)（大致符合摩爾定律），而且這些集成電路的價(jià)格仍然在可承受范圍內(nèi)，這反過(guò)來(lái)意味著每個(gè)組件的成本也呈指數(shù)級(jí)縮減。盡管半導(dǎo)體晶圓廠的成本不斷上升，但情況仍然是如此。

戈登·摩爾闡述了后來(lái)被稱為“摩爾第二定律”或“洛克定律”（以阿瑟·洛克（Arthur Rock）命名，他幫助資助了英特爾并擔(dān)任該公司董事長(zhǎng)多年），該定律指出“半導(dǎo)體芯片制造廠的成本每四年翻一番”。

摩爾本人敏銳地意識(shí)到光刻工具成本的增加。這是他1995年論文中的一張圖表：

這是美國(guó)貿(mào)易機(jī)構(gòu)Sematech在本世紀(jì)初繪制的“階梯”價(jià)格圖表。

“前沿”光刻工具的成本持續(xù)快速上升。ASML剛剛向英特爾交付了其首款“high-NA”EUV系統(tǒng)，據(jù)稱價(jià)格為2.75億美元。只有使用這種設(shè)備的公司能夠提高銷售額，設(shè)備價(jià)格的長(zhǎng)期上漲才能持續(xù)。他們做到了。下圖是臺(tái)積電過(guò)去20年的收入。

更高的成本和更高的效用

但是如果這種增長(zhǎng)停止了會(huì)發(fā)生什么呢？讓我們研究一下，如果更昂貴的光刻工具或其他原因?qū)е碌母叱杀炯由响o態(tài)需求最終導(dǎo)致價(jià)格上漲，可能會(huì)發(fā)生什么。

更高的價(jià)格在經(jīng)濟(jì)上有意義嗎？只有當(dāng)用戶從這些更昂貴的芯片中獲得相應(yīng)的價(jià)值時(shí)才是有意義的。我們可以很容易地找到這種價(jià)值來(lái)源的例子:

低功耗：降低集成電路的使用壽命，或者延長(zhǎng)便攜式設(shè)備的電池壽命。

更高的實(shí)用性：能夠?qū)⒏喙δ芎托阅芗傻絾蝹€(gè)集成電路中。

然而，在某種程度上，更小節(jié)點(diǎn)的實(shí)用性可能不足以支持高昂的成本。即使這些更小的節(jié)點(diǎn)按照摩爾定律保持最佳單位經(jīng)濟(jì)性，它們?nèi)钥赡芤馕吨懊總€(gè)芯片”的成本如此之高，以至于無(wú)法被證明合理。

以Apple為例，目前，Apple可能愿意為臺(tái)積電最新的晶圓支付更高的價(jià)格，因?yàn)檫@些芯片將用于最昂貴的iPhone。然而，如果價(jià)格繼續(xù)上漲，這種情況不能無(wú)限延續(xù)。消費(fèi)者為高端手機(jī)支付的價(jià)格終究是有限的。

不斷增長(zhǎng)的投資需求要依賴于持續(xù)增長(zhǎng)的需求。更高的晶圓成本不可避免地會(huì)降低需求，打破驅(qū)動(dòng)摩爾定律數(shù)十年的良性循環(huán)：更大的需求和更高的投資。

也許會(huì)出現(xiàn)一種新的對(duì)最先進(jìn)半導(dǎo)體的需求來(lái)源，有助于長(zhǎng)期維持投資并保持單位成本降低?？赡軄?lái)自機(jī)器學(xué)習(xí)的新應(yīng)用？我們拭目以待。

最終，即使進(jìn)一步縮小節(jié)點(diǎn)是可能的，不斷上升的芯片成本意味著在沒(méi)有額外需求的情況下，“良性循環(huán)”的經(jīng)濟(jì)效益將瓦解。

?05投資和“芯片競(jìng)賽”

即使制造更先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)學(xué)不再有意義，那么政治，尤其是地緣政治可能會(huì)發(fā)揮作用。以下是一些最近的頭條新聞:

美國(guó)報(bào)告顯示，對(duì)520億美元半導(dǎo)體芯片融資表現(xiàn)出濃厚興趣（2023.08）

布魯塞爾批準(zhǔn)歐洲本土半導(dǎo)體獲得80億歐元的新補(bǔ)貼（2023.06）

日本為國(guó)家芯片行業(yè)準(zhǔn)備了130億美元的資金支持（2023.11）

目前，我們正處于一場(chǎng)“芯片競(jìng)賽”中，各國(guó)競(jìng)相砸錢建立新的“晶圓廠”。這些國(guó)家真正想要的是“最前沿”制造技術(shù)。

或許，通過(guò)政府資助研發(fā)以及先進(jìn)制造所需的投資，良性循環(huán)可以維持一段時(shí)間。我之所以說(shuō)“或許”，是因?yàn)樵谶@些頭條新聞中提到的資金，如果真的被投入使用，也無(wú)法確定是否能確保有效的投資以及推動(dòng)技術(shù)的不斷進(jìn)步。

而且，在某個(gè)時(shí)候，甚至政府也可能虧空資金，意識(shí)到自己無(wú)法繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)，或者看不到進(jìn)一步投資的價(jià)值。

摩爾本人非常清楚，需求的指數(shù)增長(zhǎng)不可能永遠(yuǎn)持續(xù)下去。下面是摩爾1995年論文中的一張圖表，比較了“全球國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值”和半導(dǎo)體行業(yè)的情況：

摩爾對(duì)此圖表評(píng)論道：“正如你看到的，在1986年，半導(dǎo)體行業(yè)約占全球國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的0.1%。僅在十年后，也就是2005年左右，如果我們維持相同的增長(zhǎng)趨勢(shì)，將占到1%；到2025年左右，占到10%。到本世紀(jì)中葉，將占據(jù)全部。顯然，行業(yè)增長(zhǎng)必須放緩。

我不知道我們可以占全球國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的多少，但遠(yuǎn)超1%就會(huì)讓我感到驚訝。我認(rèn)為，在這個(gè)時(shí)期，信息產(chǎn)業(yè)顯然將成為全球最大的產(chǎn)業(yè)，但過(guò)去的大型產(chǎn)業(yè)，比如汽車，都沒(méi)有達(dá)到全球國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的1%。我們的行業(yè)增長(zhǎng)不久就必須放緩。在這里我們存在內(nèi)在的矛盾。成本呈指數(shù)級(jí)上升，而收入無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間以相應(yīng)的速度增長(zhǎng)。我認(rèn)為這至少與實(shí)現(xiàn)十微米技術(shù)挑戰(zhàn)一樣嚴(yán)重?！?/p>

根據(jù)我的估計(jì)，在2023年，芯片制造商的總收入大約占全球GDP的四分之一百分點(diǎn)，所以在這種情況下，摩爾的判斷偏離了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。然而，他的根本觀點(diǎn)仍然成立。這種關(guān)系必然在最終限制了行業(yè)的增長(zhǎng)規(guī)模。

系統(tǒng)集成

現(xiàn)在我們考慮最后一個(gè)因素。我們將回到摩爾1965年論文中的另一項(xiàng)觀察。

正如上面引用的IEEE文章所說(shuō)：Gargini表示：“到2029年左右，我們將達(dá)到光刻技術(shù)的極限。在那之后，前進(jìn)的道路就是堆疊……這是提高我們密度的唯一方法?！?/p>

設(shè)備和系統(tǒng)國(guó)際路線圖執(zhí)行摘要中提到：在接下來(lái)的10年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，尺寸縮放將繼續(xù)不受阻礙地作為提高集成電路中晶體管密度的手段。然而，由于動(dòng)態(tài)功耗限制施加的約束，在最大工作功率受限于5-6 GHz的情況下，晶體管溝道長(zhǎng)度縮放不再是滿足性能要求的“必須做到”的指標(biāo)。多層NAND存儲(chǔ)單元已經(jīng)在穩(wěn)定生產(chǎn)，納米片晶體管將在FinFET晶體管之后采用，然后將跟進(jìn)堆疊NMOS/PMOS晶體管。各種2.5D和3D結(jié)構(gòu)方法將增加組件密度，并將許多同質(zhì)和異質(zhì)技術(shù)集成到新的革命性系統(tǒng)中。

用較小的組件構(gòu)建系統(tǒng)不僅僅意味著通過(guò)“堆疊”組件來(lái)實(shí)現(xiàn)“垂直”。它還包含并排連接的較小芯片的“小芯片”。

臺(tái)積電的Philip Wong在Hot Chips 2019上發(fā)表了題為“下一個(gè)節(jié)點(diǎn)將為我們提供什么？”的演講，該演講以這張幻燈片開頭：

然后花一半以上的時(shí)間討論“系統(tǒng)集成”或從更小的功能構(gòu)建出更大的系統(tǒng)，這張幻燈片對(duì)此進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)：

因此，在摩爾發(fā)表最初論文近六年后，事實(shí)再次證明他是有先見之明的。

?06摩爾定律（2023 版）

回到關(guān)于摩爾定律現(xiàn)狀的分歧。

如果您一直密切關(guān)注摩爾定律的辯論，那么您會(huì)發(fā)現(xiàn)上面Pat Gelsinger的引述并不代表他在該主題上的最新立場(chǎng)。就在英特爾Innovate 2023大會(huì)上展示這張幻燈片幾個(gè)月后……

Gelsinger將他的立場(chǎng)修改為：“摩爾定律本質(zhì)上是你能在X、Y方向上縮小，并能在X和Y方向上實(shí)現(xiàn)0.7倍的縮小，這樣你大約每?jī)赡昃湍軐?shí)現(xiàn)兩倍的增長(zhǎng)，那是摩爾定律的黃金時(shí)代?，F(xiàn)在已經(jīng)不再是摩爾定律的黃金時(shí)代了，情況變得更加困難。所以我們現(xiàn)在實(shí)際上可能每三年才能實(shí)現(xiàn)一次翻倍，我們已經(jīng)看到了放緩的趨勢(shì)。”

所以今天，Gelsinger其實(shí)并不真正相信1975年版本的摩爾定律還在繼續(xù)（盡管注意到他在演講的后面部分對(duì)這些評(píng)論稍有保留）。

原來(lái)，我們關(guān)于摩爾定律是死是活的謎底在揭開盒子時(shí)產(chǎn)生，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)薛定諤原先那不幸的貓其實(shí)已經(jīng)死了。不過(guò)，它的一個(gè)“近親”仍然活著。

公平地說(shuō)，摩爾定律的含義存在一定程度的模糊性已經(jīng)很長(zhǎng)一段時(shí)間了。戈登·摩爾本人在1995年表示：“摩爾定律的定義已經(jīng)演變成幾乎涵蓋了與半導(dǎo)體行業(yè)相關(guān)的所有內(nèi)容，當(dāng)這些內(nèi)容在半對(duì)數(shù)紙上繪制時(shí)，大致呈一條直線。回顧其起源以便限定其定義，我有些猶豫。”

我們?cè)囍偨Y(jié)一下：節(jié)點(diǎn)縮小將持續(xù)一段時(shí)間，速度會(huì)放緩，但成本會(huì)越來(lái)越高。然而，摩爾定律不僅僅是關(guān)于縮小組件的。過(guò)去已經(jīng)有其他方式去“將更多組件壓縮至集成電路”，并且未來(lái)仍將繼續(xù)出現(xiàn)這樣的方式，包括摩爾所說(shuō)的“設(shè)備智能”和“用小型功能構(gòu)建大型系統(tǒng)”，這些方式將繼續(xù)在一段時(shí)間內(nèi)支持（修訂版的）摩爾定律。最后，最有可能終結(jié)摩爾定律的是經(jīng)濟(jì)學(xué)，而非物理學(xué)。

摩爾之后

那么，當(dāng)節(jié)點(diǎn)縮小、小芯片、堆疊和其他改進(jìn)來(lái)源帶來(lái)的收益真正結(jié)束時(shí)，會(huì)發(fā)生什么呢？我們應(yīng)該持悲觀態(tài)度嗎？技術(shù)“進(jìn)步”會(huì)戛然而止嗎？

這張來(lái)自英偉達(dá)首席科學(xué)家Bill Dally在2023年通過(guò)IEEE Spectrum發(fā)布的幻燈片講述了一個(gè)不同的故事。

在過(guò)去十年中，“單芯片推理性能”提高了1000多倍，其中只有2.5倍直接來(lái)自流程改進(jìn)?！?/p>

要維持摩爾定律的進(jìn)步，需要投入數(shù)十億美元的投資，進(jìn)行一些非常復(fù)雜的工程技術(shù)，并帶來(lái)一系列國(guó)際問(wèn)題。然而，所有這些僅僅為英偉達(dá) GPU性能提升貢獻(xiàn)了一小部分?！?/p>

實(shí)際上，單單“數(shù)字表示法”帶來(lái)的性能增益已經(jīng)超過(guò)了工藝改進(jìn)帶來(lái)的改善10倍以上。

當(dāng)然，這與以英偉達(dá)首席執(zhí)行官黃仁勛命名所謂的黃氏定律（Huang's Law）有關(guān)：

黃氏定律是計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程領(lǐng)域的一個(gè)觀察的結(jié)果，即圖形處理單元（GPU）的技術(shù)進(jìn)步速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的中央處理單元（CPU）。

也許像數(shù)字表示和更復(fù)雜的指令這樣的增益是“一次性的”。它們不是摩爾定律在50多年里帶來(lái)的那種重復(fù)的、一致的“指數(shù)”增長(zhǎng)模式的一部分。也許人工智能是如此之新，以至于這些巨大的收益變得令人期待。

然而，這種看法忽略了建立在這些制造工藝之上的整個(gè)現(xiàn)代計(jì)算堆棧的深度、復(fù)雜性以及相對(duì)的“新穎性”。盡管機(jī)器學(xué)習(xí)屬于新領(lǐng)域，但整個(gè)計(jì)算堆棧的其他部分也不算陳舊。

?07超越摩爾

2016年11關(guān)于摩爾定律終結(jié)的文章中使用了一個(gè)多次被重復(fù)的類比：

“如果汽車和摩天大樓自1971年以來(lái)以這樣的速度發(fā)展，現(xiàn)在最快的汽車速度將達(dá)到光速的十分之一；最高的建筑將達(dá)到月球的一半?！逼渲赋觯M(jìn)步將由三個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步來(lái)定義：軟件（以DeepMind的AlphaGo為例）、云以及新架構(gòu)。

最近，David Patterson一直在談?wù)摗坝?jì)算機(jī)架構(gòu)的新黃金時(shí)代”（參見David Patterson和John Hennessy的圖靈講座鏈接筆記）：

“Dennard縮放的終結(jié)、摩爾定律的終結(jié)以及標(biāo)準(zhǔn)微處理器性能增益的減速，并不是必須解決的問(wèn)題，而是一旦認(rèn)識(shí)到它們，就能帶來(lái)驚人機(jī)遇的事實(shí)。在未來(lái)十年里，我們將見證計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的“寒武紀(jì)大爆炸”，這對(duì)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的計(jì)算機(jī)架構(gòu)師來(lái)說(shuō)是令人激動(dòng)的時(shí)代。”

當(dāng)一個(gè)芯片上有數(shù)千億個(gè)晶體管時(shí)，仍有很多很多機(jī)會(huì)可以探索使用它們的新方法。

讓我們回到汽車的類比。沒(méi)有汽車版本的摩爾定律，汽車的速度沒(méi)有像1971年那樣提高數(shù)百萬(wàn)倍，但在其他一系列重要指標(biāo)方面，它們已經(jīng)獲得了巨大的提升；如安全性、舒適性、可靠性等。

即使沒(méi)有縮小組件，計(jì)算機(jī)的發(fā)展前景也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)汽車。我們可以期待摩爾定律以各種形式終結(jié)，并對(duì)未來(lái)的許多機(jī)會(huì)持樂(lè)觀態(tài)度。