芯片破壁者（六.上）：摩爾定律的一次次“驚險”續(xù)命

1965 年，《電子》雜志在創(chuàng)刊 35 周年之際，邀請時任仙童半導(dǎo)體公司研究開發(fā)實驗室主任的摩爾，為其撰寫一篇觀察評論，預(yù)測微芯片工業(yè)的前景。

此時，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)才剛剛萌芽，英特爾公司都尚未成立，市面上生產(chǎn)和銷售的芯片更是屈指可數(shù)。

摩爾根據(jù)有限的數(shù)據(jù)大膽提出了一條被后人奉為圭臬的路線圖——處理器（CPU）的功能和復(fù)雜性每 12 個月增加一倍，而成本卻成比例地遞減，也就是有名的摩爾定律。（1975 年，摩爾將 12 個月改為 18 個月，沿用至今）。

這篇名為“讓集成電路填滿更多的元件”的報告，就此指導(dǎo)了半導(dǎo)體乃至整個信息產(chǎn)業(yè)半個世紀(jì)的發(fā)展步伐。

就連摩爾本人都沒有想到，這個定律的效力是如此持久。

2005 年，摩爾直言“Something like this can’t ?continue forever” ，認(rèn)為摩爾定律可能在 2010 至 2020 年達(dá)到極限而失靈，建立在硅基集成電路上的電子信息技術(shù)也將被另外一種技術(shù)所代替。

此后十幾年，不斷挑戰(zhàn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)極限的摩爾定律，也在一次次撞向“天花板”的時候“被死亡”。

關(guān)于摩爾定律的唱衰言論層出不窮。2014 年國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖組織宣布，下一份路線圖將不再依照摩爾定律。臺積電張忠謀、英偉達(dá)黃仁勛等挑戰(zhàn)者更是“語出不遜”，認(rèn)定摩爾定律不過是茍延殘喘。

顯然，一切并沒有發(fā)生。集成電路芯片向 5nm 甚至 3nm 制程進(jìn)發(fā)，依然是英特爾、三星、臺積電等半導(dǎo)體廠商孜孜以求的目標(biāo)。

硬挺到今天的摩爾定律，為何總能被成功“續(xù)一秒”，又是哪些黑科技在幫助它一次次“起死回生”？圍繞在它身上的傳奇和產(chǎn)業(yè)競速到底能續(xù)寫到什么時候？接下來，我們就一起走進(jìn)——摩爾定律的驚魂夜。

薛定諤的摩爾定律之死

在抵達(dá)一個個驚險刺激的歷史現(xiàn)場之前，有必要先跟大家聊聊摩爾定律持續(xù)“碰壁”的原因。

摩爾定律的定義，歷史上其實被更新過幾次，因此也形成了不同的版本和表達(dá)。比如：

集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔 18 個月便增加一倍；

微處理器的性能每隔 18 個月提高一倍，或價格下降一半；

相同價格所買的電腦，性能每隔 18 個月增加一倍。

正是沿著這個思路發(fā)展，電腦、電話等在強(qiáng)勁的處理器芯片加持之下，才有了低價格、高性能的可能，進(jìn)而得以應(yīng)用于社會每個的每個領(lǐng)域，成就了今天無處不在的信息生活，甚至徹底改變了人類的生活方式。

而在過去的幾十年里，為了滿足摩爾定律，半導(dǎo)體行業(yè)算是堵上了自己的尊嚴(yán)：

提升晶體管的密度與性能，成為微處理器按“摩爾定律”進(jìn)化最直接的方法要在微處理器上集成更多的晶體管，芯片制造工藝不斷向天花板逼近，制程節(jié)點不斷逼近物理極限。

1971 年英特爾發(fā)布的第一個處理器 4004，就采用 10 微米工藝生產(chǎn)，僅包含 2300 多個晶體管。

隨后，晶體管的制程節(jié)點以 0.7 倍的速度遞減，90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm 等等相繼被成功研制出來，最近的戰(zhàn)報是向 5nm、3nm 突破。

既然大趨勢如此成功，為什么“摩爾定律”還會被屢屢宣判失效、死亡呢？

任何一個對指數(shù)有所了解的人，都會明白這種增長要無限地保持下去是不可能的。“增加一倍”的周期都是 18 個月，意味著每十年晶體管的數(shù)量要提高一百倍。

摩爾自己在演講時也開玩笑說，如果其他行業(yè)像半導(dǎo)體這樣發(fā)展的話，汽車現(xiàn)在應(yīng)該一升汽油就能跑幾十萬公里，市中心每小時的停車費可能比勞斯萊斯還要昂貴，還有可能汽車尺寸會縮小到兩寸長根本無法載人……

因此，摩爾本人在談?wù)摗澳柖伞钡纳芷跁r，更同意史蒂芬霍金的說法。后者曾在被問及集成電路的技術(shù)極限時，提到了兩個限制：

一是光的極限速度，芯片的運行速度距離光速還很遠(yuǎn)；二是物質(zhì)的原子本質(zhì)，晶體管已經(jīng)很接近原子的直徑（0.01 納米到 0.1 納米之間）。

也就是說，摩爾定律想要在當(dāng)下繼續(xù)發(fā)展，工程師們就不得不面臨與這兩個最基本的自然法則做斗爭。聽起來是不是一個很艱難的挑戰(zhàn)？

體現(xiàn)在具體的產(chǎn)業(yè)難題上，就是隨著硅片上集成電路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯率也會呈現(xiàn)指數(shù)級的上升。

硅材料芯片被廣為詬病的便是高溫和漏電。集成電路部件發(fā)散的熱量，以及連線電阻增加所產(chǎn)生的熱量，如果無法在工作時及時散發(fā)出去，就會導(dǎo)致芯片“**”；

此外，晶體管之間的連線越來越細(xì)，耗電也就成了大問題。而且導(dǎo)線越細(xì)，傳輸信號的時間也就越長，還會直接影響它們處理信號能力。如果電子能直接穿透晶體管中的二氧化硅絕緣層，就會觸發(fā)“量子隧穿效應(yīng)”，完全喪失功能。

要在指甲蓋大小的芯片上以億為單位來雕刻晶體管，難度就像從月球上精準(zhǔn)地定位到地球上的一平方米一樣，這種原子甚至量子級別的集成電路焊接與生產(chǎn)，就對工藝精密度提出了更高的要求。

一邊芯片被要求越做越小，性能越來越高；一邊物理限制又需要晶體管之間保持一定的距離，可不為難死工程師了嘛。

同時別忘了，摩爾定律還被附加了經(jīng)濟(jì)色彩。除了性能之外，成本 / 價格的同時下降也被看做是基本要求。

體現(xiàn)到消費級市場，就是用戶們在每兩年，用更少的錢買到性能更高的電腦、手機(jī)產(chǎn)品。

但是，技術(shù)研發(fā)投入與光刻設(shè)備的更新?lián)Q代，都需要半導(dǎo)體廠商耗費大量的資金。

生產(chǎn)精密程度的不斷提升，也需要在制造環(huán)節(jié)投入更大的人力物力，一代代芯片生產(chǎn)線的設(shè)計、規(guī)劃、調(diào)試成本，也在以指數(shù)級增長。

以前，生產(chǎn) 130nm 晶圓處理器時，生產(chǎn)線需要投資數(shù)十億美元，到了 90nm 時代則高達(dá)數(shù)百億，超過了核電站的投入規(guī)模。按照 IBS 的 CEO Handel Jones 的預(yù)測，3nm 芯片的研發(fā)成本，甚至將達(dá)到 令人發(fā)指的 40 億至 50 億美元。

為了攤薄成本，半導(dǎo)體廠商不得不生產(chǎn)更多的芯片，這又會導(dǎo)致單片芯片的利潤回報下降。

很顯然，半導(dǎo)體企業(yè)不可能長期“既讓性能翻一倍，又讓價格降一倍”，如果 18 個月沒有收回成本，就要面臨巨大的資金壓力。

更為殘酷的是，受軟件復(fù)雜性等影響，芯片性能的提升在用戶感知度上也越來越弱。

上世紀(jì)八九十年代，晶體管數(shù)量增加帶來的性能加成是明顯的。比如奔騰處理器的速度就遠(yuǎn)高于 486 處理器，奔騰 2 代又比奔騰 1 代優(yōu)秀得多。

但正如大家所見的，進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，芯片制程越來越小，但用戶對性能提升的感知度卻不如以往令人驚艷，更新?lián)Q代的買單欲望也能輕易被控制——等待更具性價比的計算硬件，鎖死了摩爾定律的增長周期。

曾幾何時，谷歌 CEO Eric Schmidt 被問及會不會購買 64 位“安騰”處理器時，對方就表示“谷歌已經(jīng)決定放棄摩爾定律”，不準(zhǔn)備購買這種在當(dāng)時看來的超級處理器。當(dāng)然，這一決定被歷史證明打臉了。

但也說明，即使廠商完成了前期的燒錢游戲，也未必能在中短線消費市場上完美收官。

總體而言，過去六十多年里，半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，正是在摩爾定律的推動下實現(xiàn)的，一代代運算速度更快的處理器問世，讓人類徹底走進(jìn)了信息時代。

與此同時，在芯片焊接和生產(chǎn)已經(jīng)達(dá)到原子級別、接近量子級別的程度之后，摩爾定律也從指導(dǎo)行業(yè)進(jìn)化的“金科玉律”，逐漸變成了捆綁在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)頭上的緊箍咒。

想要繼續(xù)發(fā)揮作用，必須付出巨大的成本，讓行業(yè)舉步維艱、苦不堪言的同時，不斷被唱衰也就成了摩爾定律的宿命。

性能、價格、市場預(yù)期，就如同三體世界里的三個太陽，在半個多世紀(jì)的時間里反復(fù)炙烤著摩爾定律。

接下來，我們就一起回到幾個重要的“碰壁現(xiàn)場”，去看看摩爾定律是如何在一次次瓶頸期“驚險”逃生、鞭策著整個行業(yè)繼續(xù)為之奮斗的。

而摩爾定律，既是這場戰(zhàn)爭必然爆發(fā)的推動力，也是產(chǎn)業(yè)版圖更迭的見證者。

了解歷史的人知道， 1975 年，在“摩爾定律”發(fā)布的十年后，摩爾本人對定律進(jìn)行了修改，將原本的“12 個月翻一倍”改為了“18 個月”。

當(dāng)時，摩爾已經(jīng)離開仙童，與別人一起創(chuàng)立了英特爾。而技術(shù)的挑戰(zhàn)也在此時拉開序幕。

1975 年，英特爾公司準(zhǔn)備推出的一款電荷耦合器件(CCD)存儲芯片中，只有 3.2 萬個元件，這比摩爾定律預(yù)測的千倍增長整整少了一半。

第一個辦法當(dāng)然是修改定律，將產(chǎn)業(yè)周期從 12 個月延長到 18 個月。摩爾在一次訪談中曾提及這次修改，不無消極地說，自己的論文只是試圖找到以最低成本生產(chǎn)微型芯片的方式——

“我覺得不會有人會按照它（摩爾定律）來制定商業(yè)計劃?，可能是因為我還沉浸在第一次預(yù)測正確的恐慌當(dāng)中。我不覺得還會有人關(guān)注這個預(yù)測?！?/p>

翻車的原因在于，摩爾定律提出的 1965 年，還是小規(guī)模集成電路（SSL）時代，芯片內(nèi)的元件不超過 100 個。此后，MSI（中規(guī)模集成電路）順利地擺渡了十年，生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于芯片設(shè)計，晶體管數(shù)量幾乎每年都會翻番，完美符合摩爾定律。

但接下來，工程師們認(rèn)為要在單芯片上集成十萬個晶體管，VLSI 階段正式來臨。與此同時，DRAM 存儲器、微處理器 CPU 等芯片產(chǎn)品的出現(xiàn)，在將芯片復(fù)雜度發(fā)揮到極致的同時，也讓成本的經(jīng)濟(jì)性開始引起重視。

當(dāng)時，美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)在實驗室完成了對 VLSI 的技術(shù)突破，為什么最后卻是日本成功上位呢？

因為新時期里，拯救摩爾定律的不是技術(shù)上的突破，而是商業(yè)價值上的精進(jìn)。

DRAM 是當(dāng)時最重要的半導(dǎo)體市場消費品，而其制造的關(guān)鍵在于更細(xì)?、更密集的電路。面臨的挑戰(zhàn)在于，隨著芯片上元件的增多，晶圓上的隨機(jī)缺陷影響加大，導(dǎo)致成品率降低，自然提高了芯片的生產(chǎn)成本，也讓廠商的收益不那么美好。

必須實現(xiàn)成本下降，才能延續(xù)摩爾定律。而日本產(chǎn)業(yè)對技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的平衡，在此時發(fā)揮了重要的作用。

1976 年，日本以舉國之力啟動了聞名遐邇的超大規(guī)模集成電路研究計劃。

由通產(chǎn)省技術(shù)專家和官員出面，集合了富士通、日立、三菱、日本電氣（NEC）和東芝等 5 家公司，共同設(shè)立了 VLSI 研究所。

日本在進(jìn)軍半導(dǎo)體市場時更注重改進(jìn)制程，而不是產(chǎn)品上有什么革命性的突破。日本 VLSI 研究所的目標(biāo)，就是在微精細(xì)加工、工藝技術(shù)、元件技術(shù)等等課題上嘗試提升。

VLSI 項目實行了 4 年，于 1980 年結(jié)束，也確實誕生了豐碩的研究成果，大約有 1000 項發(fā)明獲得了專利，這對日本半導(dǎo)體的國際競爭力起到了重大作用。

與此同時，注重制造技術(shù)也為日本半導(dǎo)體公司帶來了全球競爭優(yōu)勢，雖然不像革命性產(chǎn)品那樣引人注目，但價格和質(zhì)量卻成為攻占市場的重要籌碼。

當(dāng)時，業(yè)界每兩三年便會推出新一代 DRAM，存儲能力以倍數(shù)上升，消費者們也熱衷于升級存儲條。龐大的市場需求，撞上日本工業(yè)界對集成電路的改良，直接從半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大本營——美國手里搶走了不少市場份額。

1982 底，日本的第一代超大規(guī)模集成電路的 64K RAM 已經(jīng)占到國際市場的 66％，至此，日本在 DRAM 制造方面的全球領(lǐng)導(dǎo)地位奠定，也使其成為下一代微芯片的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。

正是日本在 VLSI 技術(shù)上的發(fā)力，讓摩爾定律得以繼續(xù)發(fā)揚光大。到了 1980 年代，摩爾定律已經(jīng)被看到是“DRAM 準(zhǔn)則”，隨后，微處理器也出現(xiàn)在了曲線上。復(fù)雜度（晶體管的數(shù)量），以及芯片性能（處理器的操作速度），成為摩爾定律的主要預(yù)測對象，摩爾定律也從此時起成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，不少微處理器和存儲器芯片企業(yè)根據(jù)這一趨勢來制定生產(chǎn)計劃、參與國際競爭。

制程工藝與經(jīng)濟(jì)性的正式融合，讓摩爾定律與半導(dǎo)體發(fā)展節(jié)奏，從 80 年代中期開始，開始變得密不可分。

接下來，摩爾定律還會遇到哪些“要命”的挑戰(zhàn)，英特爾為何被 IBM 狂打臉，讓芯片廠商改抱上游材料、設(shè)備廠商“大腿”的原因有哪些？我們的時光旅程將在《芯片破壁者（六 . 下）》中繼續(xù)……