摩爾定律，散落人間

戈登·摩爾，這位半導(dǎo)體與計(jì)算機(jī)行業(yè)的傳奇人物已離我們而去，但他提出的“摩爾定律”仍在影響著半導(dǎo)體行業(yè)。日本半導(dǎo)體專家湯之上隆，將在本篇文章中帶我們重新認(rèn)識(shí)這一半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的“底層代碼”。

以下為編譯全文：《周期是本質(zhì)，摩爾定律的秘密持續(xù)了50多年》

座右銘是摩爾定律

戈登·摩爾（Gordon Moore）是英特爾的聯(lián)合創(chuàng)始人，以摩爾定律的倡導(dǎo)者而聞名，該定律指出晶體管集成度每隔18-24個(gè)月就翻一番，他于2023 年 3 月 24 日在美國(guó)夏威夷的家中去世，享年94歲。

筆者于1987年加入日立株式會(huì)社，成為一名專門從事微細(xì)加工技術(shù)的半導(dǎo)體工程師。可以看出，晶體管的高集成度和微型化一直是筆者工作的主題，摩爾定律是筆者的座右銘。

換句話說(shuō)，從我作為一名半導(dǎo)體工程師的那一刻起，摩爾定律就伴隨在我身邊。為此，筆者對(duì)摩爾先生去世的消息感到一絲涼意。與此同時(shí)，人們不禁想知道，指導(dǎo)全球半導(dǎo)體行業(yè)50多年的摩爾定律，是如何成為一個(gè)偉大的指南針的？

因此，在本文中，我想以紀(jì)念摩爾先生的意義再次考慮摩爾定律的本質(zhì)。

什么是摩爾定律？

圖1由Gordon Moore于1965年4月19日在一篇題為“將更多元件塞進(jìn)集成電路”（計(jì)算機(jī)歷史博物館）的論文中發(fā)表。

圖1 Gordon Moore首次宣布的“摩爾定律”；來(lái)源：Moore，Gordon E.， 計(jì)算機(jī)歷史博物館， “將更多元件塞進(jìn)集成電路”

該圖的縱軸是每個(gè)集成功能（半導(dǎo)體芯片）的元件（晶體管）數(shù)量。此外，它被寫(xiě)成Log2，這表明晶體管的數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)。然而，該圖只涵蓋了1959年至1975年，不可能讀出 "集成水平在兩年內(nèi)翻倍"。

后來(lái)，1968年與羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）一起創(chuàng)立英特爾的戈登·摩爾（Gordon Moore）在1975年糾正了摩爾定律，稱“集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過(guò)18個(gè)月到24個(gè)月便會(huì)增加一倍”。迄今為止，晶體管集成度以幾乎“兩年內(nèi)翻一番”的速度增長(zhǎng)。換句話說(shuō)，摩爾在1965年的預(yù)測(cè)已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)半個(gè)多世紀(jì)的指南針。

而摩爾定律延續(xù)的背后，還有另一個(gè)定律。

德納德縮放比例定律

1974年，在摩爾糾正摩爾定律的前一年，IBM的Dennard發(fā)表了一篇論文，指出“隨著晶體管密度的增加，每個(gè)晶體管的功耗會(huì)下降，因此，每平方毫米硅的功耗幾乎是恒定的。”（圖2）。由于硅的計(jì)算能力隨著每一代新技術(shù)的發(fā)展而提高，計(jì)算機(jī)將變得更加節(jié)能。這被稱為德納德的“縮放定律”。

圖2 德納德縮放比例定律；來(lái)源：“具有非常小物理尺寸的離子注入MOSFET的設(shè)計(jì)”，IEEE Journal of Solid-State Circuits SC-9 （5）

例如，將圖3中的K=2代入可將晶體管的電路延遲降低1/2（相反，速度增加一倍），功耗降低1/4，集成度提高四倍。順便說(shuō)一下，每個(gè)晶體管的成本也降低了四分之一。

換句話說(shuō)，如果按照Dennard的“縮放定律”將晶體管微型化，則可以在沒(méi)有任何電路設(shè)計(jì)的情況下一舉實(shí)現(xiàn)高速、低功耗、高集成度和低成本。

簡(jiǎn)而言之，摩爾定律——晶體管高集成度的指南針，以及德納德的 "縮放定律"——即晶體管越小，性能越高，已經(jīng)成為半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)汽車的兩個(gè)輪子，"晶體管集成度在兩年內(nèi)翻了一番，晶體管尺寸在同樣的兩年內(nèi)縮小了70%"。這種情況已經(jīng)持續(xù)了半個(gè)多世紀(jì)（圖3）。

圖3 歷經(jīng)50多年的摩爾定律（背后是德納德縮放比例定律）；來(lái)源：作者參考JEITA制作

摩爾定律的本質(zhì)是什么？

現(xiàn)在，讓我們重新思考一下摩爾定律的本質(zhì)。2023年2月20日，筆者參加了由《科學(xué)與技術(shù)》雜志組織的題為 "半導(dǎo)體器件入門 "的研討會(huì)，該研討會(huì)由日本晶體管研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物、東京大學(xué)的高木信一教授主講。原因是我想重新學(xué)習(xí)晶體管的基礎(chǔ)知識(shí)，研究晶體管技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

筆者通過(guò)高木教授的講座，對(duì)摩爾定律的本質(zhì)有了新的認(rèn)識(shí)。高木教授對(duì)摩爾定律的本質(zhì)做了如下解釋（圖4）。

圖4：摩爾定律的本質(zhì)；資料來(lái)源：高木信一（東京大學(xué)）2023年2月20日 "半導(dǎo)體器件入門 "講座的幻燈片。

1、半導(dǎo)體的附加值隨著晶體管的微型化而增加。因?yàn)槲⑿突梢宰尭咝阅艿陌雽?dǎo)體以更低廉的成本實(shí)現(xiàn)。

2、實(shí)現(xiàn)微型化和高集成度的半導(dǎo)體可以擴(kuò)大市場(chǎng)并獲得巨額利潤(rùn)。

3、這些利潤(rùn)將被繼續(xù)用于下一階段微型化的研發(fā)和資本投資。

換句話說(shuō)，摩爾定律的本質(zhì)是延續(xù)這個(gè)循環(huán)。而通過(guò)這個(gè)循環(huán)，摩爾定律已經(jīng)持續(xù)了50多年。

在下文中，我們將表明，半導(dǎo)體制造商的成功與否取決于他們?cè)谏鲜鲅h(huán)中的能力。

Rapidus和臺(tái)積電的主要區(qū)別

對(duì)于在2022年10月宣布將在2027年之前量產(chǎn)2nm半導(dǎo)體的Rapidus公司，筆者對(duì)其一直呈否定態(tài)度。

如果思考一下Rapidus是否能實(shí)現(xiàn)圖4中的循環(huán)，就不難理解為什么Rapidus不會(huì)成功。Rapidus公司已經(jīng)宣布，到2027年將總共投資5萬(wàn)億日元：2萬(wàn)億日元用于開(kāi)發(fā)，3萬(wàn)億日元用于大規(guī)模生產(chǎn)。這些資金可能暫時(shí)由政府補(bǔ)貼來(lái)支付。

這相當(dāng)于圖4中的第三點(diǎn)，但之后卻不可能通過(guò)第一點(diǎn)進(jìn)入第二點(diǎn)。換句話說(shuō)，即使能生產(chǎn)出2nm的半導(dǎo)體（甚至這也很困難），也不可能用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)"市場(chǎng)擴(kuò)張和獲得巨額利潤(rùn)"。這是因?yàn)闆](méi)有fabless可以將生產(chǎn)外包給Rapidus。這意味著 "巨額利潤(rùn) "無(wú)法實(shí)現(xiàn)，對(duì)2nm之后的下一步——1.4nm的投資也將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

與之相反的是，站在微型化前沿的臺(tái)積電，已經(jīng)能夠成功地循環(huán)摩爾定律的周期。

如圖5所示，它已經(jīng)成功量產(chǎn)了最尖端的半導(dǎo)體，并增加了其銷售額。特別是從7nm開(kāi)始，該公司已成為唯一的贏家，幾乎壟斷了最先進(jìn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品。因此，7nm后的銷售額比以前更高。

圖5 臺(tái)積電按技術(shù)節(jié)點(diǎn)劃分的季度銷售額；資料來(lái)源：作者根據(jù)臺(tái)積電的歷史經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)編制

因此，可以說(shuō)摩爾定律現(xiàn)在被臺(tái)積電繼承了。臺(tái)積電于2022年12月29日開(kāi)始量產(chǎn)3nm。計(jì)劃是在2024-2025年左右開(kāi)始量產(chǎn)2nm。筆者將繼續(xù)關(guān)注摩爾定律在未來(lái)會(huì)持續(xù)多久。

作者簡(jiǎn)介：湯之上隆先生為日本精密加工研究所所長(zhǎng)，曾長(zhǎng)期在日本制造業(yè)的生產(chǎn)第一線從事半導(dǎo)體研發(fā)工作，2000年獲得京都大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，之后一直從事和半導(dǎo)體行業(yè)有關(guān)的教學(xué)、研究、顧問(wèn)及新聞工作者等工作，曾撰寫(xiě)《日本“半導(dǎo)體”的失敗》、《“電機(jī)、半導(dǎo)體”潰敗的教訓(xùn)》、《失去的制造業(yè)：日本制造業(yè)的敗北》等著作。