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CSDN|芯片破壁：摩尔定律的一次次“惊险”续命


_本文原题：芯片破壁：摩尔定律的一次次“惊险”续命
CSDN|芯片破壁：摩尔定律的一次次“惊险”续命
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【CSDN|芯片破壁：摩尔定律的一次次“惊险”续命】

作者 | 藏狐
来源 | 脑极体（ID：unity007）
1965年 ， 《电子》杂志在创刊35周年之际 ， 邀请时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔 ， 为其撰写一篇观察评论 ， 预测微芯片工业的前景 。
此时 ， 全球半导体产业才刚刚萌芽 ， 英特尔公司都尚未成立 ， 市面上生产和销售的芯片更是屈指可数 。
摩尔根据有限的数据大胆提出了一条被后人奉为圭臬的路线图——处理器（CPU）的功能和复杂性每12个月增加一倍 ， 而成本却成比例地递减 ， 也就是有名的摩尔定律 。 （1975年 ， 摩尔将12个月改为18个月 ， 沿用至今） 。
这篇名为“让集成电路填满更多的元件”的报告 ， 就此指导了半导体乃至整个信息产业半个世纪的发展步伐 。
就连摩尔本人都没有想到 ， 这个定律的效力是如此持久 。
2005年 ， 摩尔直言“Something like this can’t continue forever”， 认为摩尔定律可能在 2010 至 2020 年达到极限而失灵 ， 建立在硅基集成电路上的电子信息技术也将被另外一种技术所代替 。
此后十几年 ， 不断挑战半导体产业极限的摩尔定律 ， 也在一次次撞向“天花板”的时候“被死亡” 。
关于摩尔定律的唱衰言论层出不穷 。 2014年国际半导体技术路线图组织宣布 ， 下一份路线图将不再依照摩尔定律 。 台积电张忠谋、英伟达黄仁勋等挑战者更是“语出不逊” ， 认定摩尔定律不过是苟延残喘 。
显然 ， 一切并没有发生 。 集成电路芯片向5nm甚至3nm制程进发 ， 依然是英特尔、三星、台积电等半导体厂商孜孜以求的目标 。
硬挺到今天的摩尔定律 ， 为何总能被成功“续一秒” ， 又是哪些黑科技在帮助它一次次“起死回生”？围绕在它身上的传奇和产业竞速到底能续写到什么时候？接下来 ， 我们就一起走进——摩尔定律的惊魂夜 。
薛定谔的摩尔定律之死
在抵达一个个惊险刺激的历史现场之前 ， 有必要先跟大家聊聊摩尔定律持续“碰壁”的原因 。
摩尔定律的定义 ， 历史上其实被更新过几次 ， 因此也形成了不同的版本和表达 。 比如：
集成电路上可容纳的晶体管数目 ， 约每隔18个月便增加一倍；
微处理器的性能每隔18个月提高一倍 ， 或价格下降一半；
相同价格所买的电脑 ， 性能每隔18个月增加一倍 。
正是沿着这个思路发展 ， 电脑、电话等在强劲的处理器芯片加持之下 ， 才有了低价格、高性能的可能 ， 进而得以应用于社会每个的每个领域 ， 成就了今天无处不在的信息生活 ， 甚至彻底改变了人类的生活方式 。
而在过去的几十年里 ， 为了满足摩尔定律 ， 半导体行业算是堵上了自己的尊严：
提升晶体管的密度与性能 ， 成为微处理器按“摩尔定律”进化最直接的方法要在微处理器上集成更多的晶体管 ， 芯片制造工艺不断向天花板逼近 ， 制程节点不断逼近物理极限 。
1971年英特尔发布的第一个处理器4004 ， 就采用10微米工艺生产 ， 仅包含2300多个晶体管 。
随后 ， 晶体管的制程节点以0.7倍的速度递减 ， 90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm等等相继被成功研制出来 ， 最近的战报是向5nm、3nm突破 。
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既然大趋势如此成功 ， 为什么“摩尔定律”还会被屡屡宣判失效、死亡呢？
任何一个对指数有所了解的人 ， 都会明白这种增长要无限地保持下去是不可能的 。 “增加一倍”的周期都是18个月 ， 意味着每十年晶体管的数量要提高一百倍 。
摩尔自己在演讲时也开玩笑说 ， 如果其他行业像半导体这样发展的话 ， 汽车现在应该一升汽油就能跑几十万公里 ， 市中心每小时的停车费可能比劳斯莱斯还要昂贵 ， 还有可能汽车尺寸会缩小到两寸长根本无法载人……
因此 ， 摩尔本人在谈论“摩尔定律”的生命周期时 ， 更同意史蒂芬霍金的说法 。 后者曾在被问及集成电路的技术极限时 ， 提到了两个限制：
一是光的极限速度 ， 芯片的运行速度距离光速还很远；二是物质的原子本质 ， 晶体管已经很接近原子的直径（0.01纳米到0.1纳米之间） 。
也就是说 ， 摩尔定律想要在当下继续发展 ， 工程师们就不得不面临与这两个最基本的自然法则做斗争 。 听起来是不是一个很艰难的挑战？
体现在具体的产业难题上 ， 就是随着硅片上集成电路密度的增加 ， 其复杂性和差错率也会呈现指数级的上升 。
硅材料芯片被广为诟病的便是高温和漏电 。 集成电路部件发散的热量 ， 以及连线电阻增加所产生的热量 ， 如果无法在工作时及时散发出去 ， 就会导致芯片“罢工”；
此外 ， 晶体管之间的连线越来越细 ， 耗电也就成了大问题 。 而且导线越细 ， 传输信号的时间也就越长 ， 还会直接影响它们处理信号能力 。 如果电子能直接穿透晶体管中的二氧化硅绝缘层 ， 就会触发“量子隧穿效应” ， 完全丧失功能 。
要在指甲盖大小的芯片上以亿为单位来雕刻晶体管 ， 难度就像从月球上精准地定位到地球上的一平方米一样 ， 这种原子甚至量子级别的集成电路焊接与生产 ， 就对工艺精密度提出了更高的要求 。
一边芯片被要求越做越小 ， 性能越来越高；一边物理限制又需要晶体管之间保持一定的距离 ， 可不为难死工程师了嘛 。
同时别忘了 ， 摩尔定律还被附加了经济色彩 。 除了性能之外 ， 成本/价格的同时下降也被看做是基本要求 。
体现到消费级市场 ， 就是用户们在每两年 ， 用更少的钱买到性能更高的电脑、手机产品 。
但是 ， 技术研发投入与光刻设备的更新换代 ， 都需要半导体厂商耗费大量的资金 。
生产精密程度的不断提升 ， 也需要在制造环节投入更大的人力物力 ， 一代代芯片生产线的设计、规划、调试成本 ， 也在以指数级增长 。
以前 ， 生产130nm晶圆处理器时 ， 生产线需要投资数十亿美元 ， 到了90nm时代则高达数百亿 ， 超过了核电站的投入规模 。 按照IBS 的 CEO Handel Jones 的预测 ， 3nm 芯片的研发成本 ， 甚至将达到 令人发指的40 亿至 50 亿美元 。
为了摊薄成本 ， 半导体厂商不得不生产更多的芯片 ， 这又会导致单片芯片的利润回报下降 。
很显然 ， 半导体企业不可能长期“既让性能翻一倍 ， 又让价格降一倍” ， 如果18个月没有收回成本 ， 就要面临巨大的资金压力 。
更为残酷的是 ， 受软件复杂性等影响 ， 芯片性能的提升在用户感知度上也越来越弱 。
上世纪八九十年代 ， 晶体管数量增加带来的性能加成是明显的 。 比如奔腾处理器的速度就远高于486处理器 ， 奔腾2代又比奔腾1代优秀得多 。
但正如大家所见的 ， 进入21世纪以来 ， 芯片制程越来越小 ， 但用户对性能提升的感知度却不如以往令人惊艳 ， 更新换代的买单欲望也能轻易被控制——等待更具性价比的计算硬件 ， 锁死了摩尔定律的增长周期 。
曾几何时 ， 谷歌CEO Eric Schmidt 被问及会不会购买 64 位“安腾”处理器时 ， 对方就表示“谷歌已经决定放弃摩尔定律” ， 不准备购买这种在当时看来的超级处理器 。 当然 ， 这一决定被历史证明打脸了 。
但也说明 ， 即使厂商完成了前期的烧钱游戏 ， 也未必能在中短线消费市场上完美收官 。
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总体而言 ， 过去六十多年里 ， 半导体行业的快速发展 ， 正是在摩尔定律的推动下实现的 ， 一代代运算速度更快的处理器问世 ， 让人类彻底走进了信息时代 。
与此同时 ， 在芯片焊接和生产已经达到原子级别、接近量子级别的程度之后 ， 摩尔定律也从指导行业进化的“金科玉律” ， 逐渐变成了捆绑在半导体产业头上的紧箍咒 。
想要继续发挥作用 ， 必须付出巨大的成本 ， 让行业举步维艰、苦不堪言的同时 ， 不断被唱衰也就成了摩尔定律的宿命 。
性能、价格、市场预期 ， 就如同三体世界里的三个太阳 ， 在半个多世纪的时间里反复炙烤着摩尔定律 。
接下来 ， 我们就一起回到几个重要的“碰壁现场” ， 去看看摩尔定律是如何在一次次瓶颈期“惊险”逃生、鞭策着整个行业继续为之奋斗的 。
第一次续命：从MSI到VLSI ，
工匠之国日本的崛起
在此前的章节中 ， 我们谈论了以DRAM为代表的VLSI超大规模集成电路的崛起 ， 以及美国、日本在这个技术战场上的世纪战争 。
而摩尔定律 ， 既是这场战争必然爆发的推动力 ， 也是产业版图更迭的见证者 。
了解历史的人知道 ，1975年 ， 在“摩尔定律”发布的十年后 ， 摩尔本人对定律进行了修改 ， 将原本的“12个月翻一倍”改为了“18个月” 。
当时 ， 摩尔已经离开仙童 ， 与别人一起创立了英特尔 。 而技术的挑战也在此时拉开序幕 。
1975年 ， 英特尔公司准备推出的一款电荷耦合器件(CCD)存储芯片中 ， 只有3.2万个元件 ， 这比摩尔定律预测的千倍增长整整少了一半 。
第一个办法当然是修改定律 ， 将产业周期从12个月延长到18个月 。 摩尔在一次访谈中曾提及这次修改 ， 不无消极地说 ， 自己的论文只是试图找到以最低成本生产微型芯片的方式——
“我觉得不会有人会按照它（摩尔定律）来制定商业计划， 可能是因为我还沉浸在第一次预测正确的恐慌当中 。 我不觉得还会有人关注这个预测 。 ”
翻车的原因在于 ， 摩尔定律提出的1965年 ， 还是小规模集成电路（SSL）时代 ， 芯片内的元件不超过100个 。 此后 ， MSI（中规模集成电路）顺利地摆渡了十年 ， 生产技术的进步远远领先于芯片设计 ， 晶体管数量几乎每年都会翻番 ， 完美符合摩尔定律 。
但接下来 ， 工程师们认为要在单芯片上集成十万个晶体管 ， VLSI阶段正式来临 。 与此同时 ， DRAM存储器、微处理器CPU等芯片产品的出现 ， 在将芯片复杂度发挥到极致的同时 ， 也让成本的经济性开始引起重视 。
当时 ， 美国半导体产业界已经在实验室完成了对VLSI的技术突破 ， 为什么最后却是日本成功上位呢？
因为新时期里 ， 拯救摩尔定律的不是技术上的突破 ， 而是商业价值上的精进 。
DRAM是当时最重要的半导体市场消费品 ， 而其制造的关键在于更细 、更密集的电路 。 面临的挑战在于 ， 随着芯片上元件的增多 ， 晶圆上的随机缺陷影响加大 ， 导致成品率降低 ， 自然提高了芯片的生产成本 ， 也让厂商的收益不那么美好 。
必须实现成本下降 ， 才能延续摩尔定律 。 而日本产业对技术和经济的平衡 ， 在此时发挥了重要的作用 。
1976年 ， 日本以举国之力启动了闻名遐迩的超大规模集成电路研究计划 。
由通产省技术专家和官员出面 ， 集合了富士通、日立、三菱、日本电气（NEC）和东芝等5家公司 ， 共同设立了VLSI研究所 。
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日本在进军半导体市场时更注重改进制程 ， 而不是产品上有什么革命性的突破 。 日本VLSI研究所的目标 ， 就是在微精细加工、工艺技术、元件技术等等课题上尝试提升 。
VLSI项目实行了4年 ， 于1980年结束 ， 也确实诞生了丰硕的研究成果 ， 大约有1000项发明获得了专利 ， 这对日本半导体的国际竞争力起到了重大作用 。
与此同时 ， 注重制造技术也为日本半导体公司带来了全球竞争优势 ， 虽然不像革命性产品那样引人注目 ， 但价格和质量却成为攻占市场的重要筹码 。
当时 ， 业界每两三年便会推出新一代DRAM ， 存储能力以倍数上升 ， 消费者们也热衷于升级存储条 。 庞大的市场需求 ， 撞上日本工业界对集成电路的改良 ， 直接从半导体产业大本营——美国手里抢走了不少市场份额 。
1982底 ， 日本的第一代超大规模集成电路的64K RAM已经占到国际市场的66％ ， 至此 ， 日本在DRAM制造方面的全球领导地位奠定 ， 也使其成为下一代微芯片的技术领导者 。
正是日本在VLSI技术上的发力 ， 让摩尔定律得以继续发扬光大 。 到了1980年代 ， 摩尔定律已经被看到是“DRAM准则” ， 随后 ， 微处理器也出现在了曲线上 。 复杂度（晶体管的数量） ， 以及芯片性能（处理器的操作速度） ， 成为摩尔定律的主要预测对象 ， 摩尔定律也从此时起成为业内公认的标准 ， 不少微处理器和存储器芯片企业根据这一趋势来制定生产计划、参与国际竞争 。
制程工艺与经济性的正式融合 ， 让摩尔定律与半导体发展节奏 ， 从80年代中期开始 ， 开始变得密不可分 。
接下来 ， 摩尔定律还会遇到哪些“要命”的挑战 ， 英特尔为何被IBM狂打脸 ， 让芯片厂商改抱上游材料、设备厂商“大腿”的原因有哪些？我们的时光旅程将在《芯片破壁者（六.下）》中继续……


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