四問摩爾定律

隨著芯片制程愈發(fā)接近物理極限，針對(duì)摩爾定律的討論愈發(fā)高漲。不僅僅是臺(tái)積電、英特爾等芯片廠商，Open AI等大模型廠商也在積極發(fā)表自己對(duì)于摩爾定律的看法。如今的摩爾定律，處于怎樣的狀態(tài)，又有著怎樣的前景？

一問：快了、慢了，還是死了？

摩爾定律自1965年被提出至今，約莫有一半的時(shí)間都活在“被死亡”的陰影下。在20世紀(jì)90年代，就有產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界人士以193nm光源波長難以支持100納米以下制程、設(shè)備器件結(jié)構(gòu)漏電嚴(yán)重難以支持50nm以下制程等理由，認(rèn)為摩爾定律將迎來終結(jié)。好在這些問題都被半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新逐一解決和改善，比如High-K金屬柵改善了漏電問題，在光源與硅片之間加入水作為介質(zhì)的浸入式光刻使193nm波長支撐了10代左右的半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展等。

戈登·摩爾最早提出的摩爾定律（圖片來源：《在集成電路上容納更多組件》一書）然而，當(dāng)制程一路來到2nm、1nm乃至于再向下縮進(jìn)的埃米時(shí)代，產(chǎn)業(yè)界不得不再次直視這個(gè)問題——摩爾定律還能再一次續(xù)命嗎？

"摩爾定律已死"——2022年9月，面對(duì)產(chǎn)業(yè)人士對(duì)英偉達(dá)新一代Ada Lovelace架構(gòu)GPU價(jià)格調(diào)漲的質(zhì)疑，英偉達(dá)CEO黃仁勛認(rèn)為摩爾定律的失效“難辭其咎”。他指出，由于摩爾定律每隔18—24個(gè)月就能以相同的成本提供兩倍的性能已經(jīng)成為過去，導(dǎo)致12英寸晶圓價(jià)格大漲，英偉達(dá)的新款GPU才不得不漲價(jià)。

同樣作為處理器供應(yīng)商的英特爾和AMD則不敢茍同，他們認(rèn)為摩爾定律或許活得沒有從前好，但尚有生命力。

在英特爾看來，摩爾定律的腳步有所放緩，但仍在前進(jìn)。英特爾CEO帕特·基辛格于2023年12月在麻省理工學(xué)院的一場活動(dòng)上表示，摩爾定律仍在發(fā)揮作用，芯片的晶體管數(shù)量每三年增加一倍，相比摩爾定律“每18-24個(gè)月晶體管集成度增加一倍”的通常定義有所放緩。

而AMD CTO Mark Papermaster表示，摩爾定律仍有效力，但難以像從前一樣控制成本。曾經(jīng)，AMD 和英特爾等芯片制造商可以每 18—24 個(gè)月提供晶體管密度提高一倍的芯片，并保持和上一代產(chǎn)品相同的成本范圍。Papermaster相信，產(chǎn)業(yè)界仍然可以通過晶體管技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)提升晶體管密度，但成本會(huì)比從前昂貴。

在看衰摩爾定律的言論中，也有全然相反的聲音：ChatGPT之父奧特曼認(rèn)為，AI時(shí)代即將產(chǎn)生“宇宙中的智能數(shù)量每18個(gè)月翻一番 ”的新版摩爾定律。這顯然是一個(gè)比摩爾定律更快的迭代周期。臺(tái)積電(中國)有限公司副總經(jīng)理陳平表示，大算力是支撐大模型的一個(gè)必要條件，而算力對(duì)于工藝來說就是在單位面積里集成更多的晶體管。對(duì)于奧特曼預(yù)測的智能計(jì)算成長速度，臺(tái)積電的工藝“還是可以勉強(qiáng)支撐”。

各方對(duì)于摩爾定律看法的不同，源于技術(shù)理解的不同。實(shí)際上，隨著算力場景的不斷演進(jìn)，下游廠商對(duì)于“芯片性能”的判斷標(biāo)準(zhǔn)和需求重點(diǎn)趨向多元化。與此同時(shí)，晶體管密度也不再是提升芯片性能的唯一手段。奧特曼的“新版摩爾定律”，就代表著產(chǎn)業(yè)界對(duì)于芯片這一算力底座的新期許。而英特爾、AMD認(rèn)為摩爾定律尚有生命力，也是因?yàn)檎谘邪l(fā)更多提升芯片性能的手段。

北京大學(xué)集成電路學(xué)院研究員賈天宇向《中國電子報(bào)》表示，僅從晶體管尺寸的縮進(jìn)速度來看，摩爾定律的確正在放緩，并且先進(jìn)工藝的成本不降反升，因此一種聲音認(rèn)為摩爾定律放緩或已死。另外一種相對(duì)樂觀的聲音則認(rèn)為系統(tǒng)級(jí)的新技術(shù)將繼續(xù)推動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)性能的提升，例如通過先進(jìn)封裝等集成技術(shù)持續(xù)提升芯片系統(tǒng)的算力?！斑@兩類觀點(diǎn)均有各自的道理，未來單一晶體管的尺寸縮進(jìn)和性能提升將十分有限，芯片設(shè)計(jì)也更加依賴系統(tǒng)級(jí)的解決方案來集成和擴(kuò)展計(jì)算系統(tǒng)的算力?！辟Z天宇說。

二問：還有多大發(fā)展空間？

雖然面臨著種種技術(shù)挑戰(zhàn)，但產(chǎn)業(yè)界的材料、設(shè)備、制造廠商，正在通過技術(shù)產(chǎn)品創(chuàng)新，將摩爾定律向埃米級(jí)別延續(xù)。

在晶體管結(jié)構(gòu)上，半導(dǎo)體制造企業(yè)已經(jīng)將技術(shù)研發(fā)延伸至埃米級(jí)別。在四面環(huán)柵的GAA從三面圍柵的FinFET手中接過制程微縮的接力棒，使3nm及以下制程工藝成為可能之后，領(lǐng)軍企業(yè)對(duì)下一代晶體管結(jié)構(gòu)CFET（互補(bǔ)場效晶體管）的開發(fā)已經(jīng)提上日程，推動(dòng)制程工藝下探到埃米時(shí)代。

CFET與此前晶體管結(jié)構(gòu)的最大不同之處，在于采用晶體管垂直堆疊結(jié)構(gòu)，這或?qū)㈤_啟三維晶體管結(jié)構(gòu)新紀(jì)元。臺(tái)積電最新資料顯示，采用CFET垂直堆疊架構(gòu)的芯片，相較采用Nanosheet（GAA）架構(gòu)的器件，面積最多能縮小50%。先進(jìn)制程的三大頭部玩家臺(tái)積電、三星、英特爾都在密切關(guān)注CFET相關(guān)技術(shù)。

CFET示意圖（圖片來源：imec）

為了讓芯片在實(shí)現(xiàn)面積微縮的同時(shí)，保證供電性能良好，業(yè)內(nèi)提出了背面供電技術(shù)。據(jù)了解，傳統(tǒng)的正面供電技術(shù)要求信號(hào)和電源線路在晶圓正面，對(duì)金屬層引腳間距有較為嚴(yán)苛的要求，限制了芯片面積微縮。而背面供電技術(shù)能夠?qū)⑿盘?hào)和電源線路分離，將電源線路轉(zhuǎn)移到背面優(yōu)化，從而提供更高效的電源供應(yīng)、更低溫度和更靈活的芯片布局。據(jù)悉，2024年上半年，英特爾將在Intel 20A制程節(jié)點(diǎn)首次采用背面供電技術(shù)。臺(tái)積電將在2nm工藝采用背面供電解決方案。三星背面供電技術(shù)BSPDN將在2nm或者1.4nm工藝上采用。

在制造設(shè)備方面，高數(shù)值孔徑光刻機(jī)被視為2nm及以下制程的關(guān)鍵設(shè)備。高數(shù)值孔徑光刻機(jī)能使光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑提升至0.55，達(dá)到比傳統(tǒng)掩模版更高的精度和光刻速度。2023年12月，ASML向英特爾交付了首臺(tái)高數(shù)值孔徑EUV光刻系統(tǒng)。

在制造材料方面，針對(duì)2nm以下制程的光刻膠材料陸續(xù)面市，金屬氧化物抗蝕劑（MOR）便是其中之一。東京電子測試指標(biāo)顯示，MOR光刻膠的線分辨率已經(jīng)可以達(dá)到7nm，接近實(shí)現(xiàn)0.2納米芯片的要求。MOR能實(shí)現(xiàn)更高的線分辨率的原因是其核心材料為無機(jī)氧化物納米核，該納米核表面覆蓋著一層配位分子。當(dāng)EUV光輻射到這種光刻膠上時(shí)，納米核表面的有機(jī)配位體被解離，暴露出高活性的納米核表面。這種特殊的結(jié)構(gòu)使MOR光刻膠能夠更好地吸收EUV光，從而實(shí)現(xiàn)更高的線分辨率。MOR的主要生產(chǎn)商JRS表示，預(yù)計(jì)2024年MOR的年產(chǎn)能將達(dá)10000加侖，可以滿足3千萬晶圓的曝光。

三問：性能如何持續(xù)提升？

即便摩爾定律能夠延伸到埃米級(jí)別，但其腳步一旦放緩，智能手機(jī)、平板電腦、PC等終端設(shè)備使用的芯片，還能否保持性能逐年提升的勢頭？這恐怕是廣大消費(fèi)者擔(dān)憂的問題。

從目前市面上的手機(jī)處理器來看，答案是肯定的。

在同一節(jié)點(diǎn)上，制造廠商依然可以在不改變設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升晶體管性能。比如臺(tái)積電5nm的強(qiáng)化版本N5P面向移動(dòng)和高性能計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化，相較第一代5nm工藝在功耗、性能和密度上進(jìn)一步提升。采用N5P的蘋果A15芯片相比采用5nm制程的A14，晶體管數(shù)量增加了 27.1%，峰值單核頻率提高了8%，Geekbench的單核和多核跑分均小幅提升。

與此同時(shí)，芯片設(shè)計(jì)廠商在不依賴制程技術(shù)提升的前提下，也能夠?qū)崿F(xiàn)處理器的換代和升級(jí)。以高通為例，其驍龍8+ Gen1、驍龍8 Gen2、驍龍8 Gen3都采用了臺(tái)積電的4nm工藝。在Geekbench 5和Geekbench 6測試中，驍龍8 Gen2的單核跑分都略高于驍龍8+ Gen1，多核跑分則顯著領(lǐng)先于驍龍8+ Gen1。據(jù)科技媒體XDA測算，Gen2的GPU和CPU性能，較8+ Gen1分別提升了65%和8.2%。驍龍8 Gen 3 的性能比前代產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了30%的性能提升和20%的能效提升。

據(jù)了解，高通在同一家代工廠的同一制程工藝上實(shí)現(xiàn)了兩次處理器性能提升，關(guān)鍵在于計(jì)算架構(gòu)的迭代。相較驍龍8+ Gen1的三叢集架構(gòu)，Gen2采用了“1+2+2+3”的四叢集架構(gòu)，其中超大核心采用的架構(gòu)由Arm Cortex-X2升級(jí)為Cortex-X3。Gen 3則采用了“1+5+2”核心配置，相比Gen2增加了一個(gè)大核心、減少了一個(gè)小核心，超大核心架構(gòu)進(jìn)一步升級(jí)為Cortex-X4。通過超大核心的架構(gòu)迭代、大核心的增加，以及計(jì)算架構(gòu)的整體優(yōu)化，高通的8系列芯片在同一制程工藝實(shí)現(xiàn)了性能的逐代升級(jí)。

因此，諸多芯片廠商除了關(guān)注制程技術(shù)，也在積極引入其他優(yōu)化芯片性能的手段。賈天宇表示，在摩爾定律放緩和智能計(jì)算需求的雙重壓力下，芯片設(shè)計(jì)面臨極大挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)界對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的渴望將超越以往?！皡^(qū)別于傳統(tǒng)依賴晶體管縮進(jìn)來提升性能，未來的芯片設(shè)計(jì)將更加依賴技術(shù)創(chuàng)新。例如，當(dāng)前備受關(guān)注的存算一體、芯粒集成等技術(shù)，都有望為未來的芯片發(fā)展提供新動(dòng)力。相信未來芯片性能的提升仍然會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定的節(jié)奏?！辟Z天宇說。

四問：下游市場是否買單？

雖然高數(shù)值孔徑光刻機(jī)、背面供電等技術(shù)創(chuàng)新能夠?yàn)槟柖伞袄m(xù)命”，但也導(dǎo)致了制造成本的急劇增加，下游市場還會(huì)買單嗎？

在接受《中國電子報(bào)》采訪時(shí)，《芯片浪潮：納米工藝背后的全球競爭》作者余盛表示，如果摩爾定律在上世紀(jì)八十年代停下來，電腦的CPU性能不再能夠大幅提高，也就跑不動(dòng)太復(fù)雜的電腦程序。英特爾做出來的CPU就只能停留在386、486那樣的水準(zhǔn)，微軟也就不可能對(duì)視窗操作系統(tǒng)進(jìn)行不斷升級(jí)迭代，這樣也就不會(huì)再有個(gè)人電腦的普及。如果摩爾定律在上世紀(jì)九十年代停下來，電腦CPU和存儲(chǔ)器都沒法做小，電腦就一直會(huì)是方頭方腦的笨重模樣，筆記本電腦將無法誕生。如果摩爾定律在本世紀(jì)零零年代停下來，CPU沒法做得小到能塞進(jìn)手機(jī)中去，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代也不會(huì)到來。如果摩爾定律在本世紀(jì)壹零年代停下來，人工智能就仍然是科幻小說中才會(huì)出現(xiàn)的東西。因?yàn)槿斯ぶ悄芩稣痰乃惴?、算力?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%A4%A7%E6%95%B0%E6%8D%AE/">大數(shù)據(jù)，離不開高性能的CPU、GPU和存儲(chǔ)器的支持。

而摩爾定律的放緩，也意味著摩爾定律所帶來的經(jīng)濟(jì)效益的下降。首先，芯片制造的投資成本越來越大。當(dāng)芯片工藝達(dá)到3nm時(shí)，需要使用極紫外光刻機(jī)，每臺(tái)極紫外光刻機(jī)的成本超過10億元。生產(chǎn)過程中的耗電量也大幅增加，導(dǎo)致投資成本和生產(chǎn)成本的增長。其次，從3nm工藝開始，需要引入新的晶體管結(jié)構(gòu)等與之前不同的技術(shù)，導(dǎo)致生產(chǎn)難度和生產(chǎn)成本的上升。

“過去半個(gè)多世紀(jì)，我們都習(xí)慣了人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速增長。實(shí)則在幾千年的人類文明發(fā)展史上，這樣的高速增長其實(shí)是非常罕見的。這一高速增長背后的支撐點(diǎn)是摩爾定律長達(dá)六十年的延續(xù)?！庇嗍⒄f。

不過，市場對(duì)先進(jìn)制程的態(tài)度并不是接受或拋棄的二分法。在計(jì)算系統(tǒng)越來越復(fù)雜的今天，下游市場對(duì)于計(jì)算成本的評(píng)估，也從以硬件為主走向以系統(tǒng)為主。

陳平認(rèn)為，客戶數(shù)量并不會(huì)隨著制程節(jié)點(diǎn)的微縮而減少，甚至?xí)絹碓蕉?。根?jù)他的觀察，臺(tái)積電最早的一批先進(jìn)工藝只有少數(shù)客戶采用，但在7nm節(jié)點(diǎn)，第一批客戶數(shù)量顯著提升。在5nm節(jié)點(diǎn)量產(chǎn)的前18個(gè)月，采用5nm量產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量是7nm同期的兩倍，預(yù)計(jì)3nm節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品數(shù)量也會(huì)是5nm同期的1.5倍至2倍。

“采用更先進(jìn)制程的芯片本身成本是比前一代高了，但將芯片放在系統(tǒng)中，對(duì)于最后的系統(tǒng)成本——特別是運(yùn)營成本來說，收益是巨大的。相比芯片購買成本，現(xiàn)在很多客戶更關(guān)注的是總體擁有成本?！标惼秸f。

以數(shù)據(jù)中心場景為例，目前數(shù)據(jù)中心的主要運(yùn)營成本是電力和冷卻。如果通過制程演進(jìn)在器件端降低20%～30%功耗，會(huì)對(duì)整體運(yùn)營成本帶來顯著影響。

IC Insight發(fā)布的最新數(shù)據(jù)顯示，先進(jìn)制程的市場占有率持續(xù)提升。2019年，10nm以下先進(jìn)制程的市占率僅為4.4%，而到2024年，其比例將增長到30％。IC Insight在報(bào)告中表示，拉動(dòng)10nm以下先進(jìn)制程在2024年呈現(xiàn)快速增長的主要驅(qū)動(dòng)力是5nm、4nm和3nm制程。

2019年—2024年芯片制程節(jié)點(diǎn)市場占有率（數(shù)據(jù)來源:IC Insight）復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院副院長周鵬為記者提供了另一個(gè)看待摩爾定律經(jīng)濟(jì)效益的視角。他向《中國電子報(bào)》記者表示，在早期，芯片制程跟隨摩爾定律不斷延伸是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的半導(dǎo)體還是一種亟需普及應(yīng)用的商業(yè)化產(chǎn)品，成本是阻礙其大規(guī)模推廣的主要因素。因此，每隔一段時(shí)間單位面積內(nèi)晶體管數(shù)量倍增的直接效應(yīng)就是成本顯著降低，促進(jìn)了芯片的廣泛使用。如今，半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)滲透到人類生活的方方面面，人們對(duì)芯片的認(rèn)知越來越深，依賴也越來越重，所以對(duì)芯片性能上的要求慢慢超過了經(jīng)濟(jì)成本的要求。這就意味著人們愿意花更多的錢去體驗(yàn)更好的性能。

作者丨張心怡 沈叢編輯丨趙晨美編丨馬利亞監(jiān)制丨連曉東