偉大的納米芯片競賽

芯片的未來發(fā)展方向在哪里？

2009 年，芯片行業(yè)知道自己遇到了問題。時任臺積電研發(fā)主管的蔣尚義認為他有一個解決方案。

他向他的老板、臺積電創(chuàng)始人張忠謀建議，他們應該探索芯片制造過程中不太先進的部分，即芯片封裝，而不是把更多的晶體管擠到越來越小的芯片上，這是使它們變得更強大的傳統(tǒng)方法。

蔣尚義說“我告訴張主席，由于摩爾定律在未來幾年可能會放緩，我們可能想嘗試其他可以繼續(xù)提高芯片計算性能的方法。”

英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾 (Gordon Moore) 于 1965 年首次提出摩爾定律，該定律認為芯片上的晶體管數(shù)量每年大約會增加一倍，隨著時間的推移，計算機芯片的功能將呈指數(shù)級增長。1975年修訂為每兩年一次。

第一批晶體管是控制芯片電流的重要元件，長度為一厘米，但到了 20 世紀 50 年代，它們的測量單位為毫米。如今，業(yè)界以納米為單位進行討論——人類 DNA 鏈的直徑為2.5 納米?，F(xiàn)在單個芯片擁有數(shù)十億個晶體管。

摩爾定律塑造了芯片行業(yè)數(shù)十年的發(fā)展軌跡，其在小型化方面的進步推動了從個人電腦到智能手機再到人工智能的整個行業(yè)。即使邊際效率的提高也可以在計算任務的復雜性方面帶來巨大的收益。例如，大多數(shù)專家認為，仍處于起步階段的生成人工智能領域需要的計算能力只能使用 4 納米或更小的芯片才能實現(xiàn)。 

在臺積電運營的像這樣的先進芯片工廠中，世界各地的芯片制造商都在努力使半導體變得更小。（臺積電供圖）

為了制造更小、更快的芯片，臺積電、美國英特爾和韓國三星等少數(shù)公司每年花費數(shù)十億美元，將摩爾定律推向極限。通過這樣做，他們對競爭對手取得了巨大的領先優(yōu)勢，形成了一個本質上是兩級的行業(yè)，頂尖的廠商競相在 2025 年生產(chǎn) 2 納米芯片。

但是，晶體管的縮小程度以及指甲蓋大小的芯片中可以封裝多少個晶體管是否存在極限？與業(yè)內(nèi)許多人一樣，蔣尚義長期以來一直擔心摩爾定律的最終終結。 

蔣尚義說“如果摩爾定律真的達到極限，將會給半導體行業(yè)帶來巨大的影響。” 

臺積電前研發(fā)主管蔣尚義認為，更好的計算機系統(tǒng)集成可能是芯片制造商抵抗摩爾定律放緩的一種方式。

“如果沒有新的解決方案，芯片行業(yè)最終可能會在20年后成為一個傳統(tǒng)行業(yè)，而不是現(xiàn)在的高科技行業(yè)，”他補充道。

芯片是否會像鋼鐵和塑料行業(yè)一樣完全商品化仍然是一個有爭議的問題，但蔣尚義在 2009 年觀察到的摩爾定律的放緩已經(jīng)對該行業(yè)和地緣政治產(chǎn)生了深遠的影響。

這種放緩可能會給那些在[芯片]競賽中落后的國家，比如中國，提供迎頭趕上的機會。 

 追趕

已有跡象表明，蔣尚義的預測正在成為現(xiàn)實，而最大的證據(jù)之一就是領先者和落后者之間的差距正在縮小。

“要跑得比團隊中跑得最快的人更快是很困難的。但一旦最快的企業(yè)無法跑得更快……那么其他企業(yè)就會趕上它，”行業(yè)資深人士、加拿大研究公司 TechInsights 的副主席丹·哈奇森 (Dan Hutcheson) 說道?！霸诟傎愔?，領先者不能絆倒，哪怕一次。”

根據(jù)《日經(jīng)亞洲》的分析，英特爾與中國最大芯片制造商之間的技術差距比以往任何時候都小。

英特爾位于馬來西亞的芯片封裝工廠的一名經(jīng)理穿著防護裝備，以防止?jié)崈羰沂艿轿廴尽＃ㄕ掌捎⑻貭柼峁?/span>

雖然這在一定程度上是由于中國決心在美國出口限制的情況下提高其芯片能力，但這也是人們長期以來擔心行業(yè)領跑者尖端創(chuàng)新放緩的結果。

美國巨頭英特爾曾經(jīng)比中國競爭對手至少領先四五年，相當于芯片制造領域的兩代以上?，F(xiàn)在它的領先優(yōu)勢大約是三年，或者說是一代半。

今年，華為新款 Mate 60 Pro 智能手機采用中芯國際 7 納米芯片，這是中國在與美國的科技戰(zhàn)中向前邁出的重要一步（蓋蒂圖片社攝影）

臺積電和三星現(xiàn)在正在生產(chǎn) 3 納米芯片，而英特爾則處于 5 納米階段。這三家公司都在競相到 2025 年生產(chǎn) 2 納米芯片。

從技術上講，納米是指晶體管柵極的寬度（見下圖） 。較小的柵極允許將更多晶體管擠入同一區(qū)域，從而實現(xiàn)更強大的處理器。 

但門的尺寸是有限度的，不久之后進一步縮小將是不可能的。因此，公司提出了新的芯片架構，并開始使用看似違反物理原理的新材料。 

早在 2012 年，英特爾就率先將其晶體管從大多數(shù)傳統(tǒng)芯片中廣泛使用的二維結構轉變?yōu)?3D 結構，即 FinFET。臺積電和三星很快也紛紛效仿。 

現(xiàn)在，芯片巨頭正在尋找一種更復雜的晶體管結構——所謂的全環(huán)柵——以將更多的計算能力壓縮到同一個微小的表面積上。但像這樣的創(chuàng)新正變得越來越昂貴。 

臺積電、英特爾和三星電子到 2022 年的資本支出合計將超過 970 億美元，是歐盟計劃在未來十年推動歐盟芯片產(chǎn)業(yè)支出的兩倍多。

美國芯片咨詢公司 International Business Strategies 的行業(yè)資深人士兼首席執(zhí)行官漢德爾·瓊斯 (Handel Jones) 告訴《日經(jīng)亞洲》：“成本結構正在減緩發(fā)展速度。過去臺積電每兩年做一次新技術，現(xiàn)在是三年，未來可能會更長。”

行業(yè)高管和分析師一致認為：摩爾定律步伐的放緩，為落后企業(yè)提供了千載難逢的機會，縮小與全球領先企業(yè)的差距。

頂級工程研究機構中國工程院吳漢明表示：“后摩爾定律時代，芯片性能增長放緩，業(yè)界正在尋找新的技術方向，進一步加速芯片性能。

“對于多年來一直處于追趕狀態(tài)的中國來說，這是一個很好的機會?！?/p>

 一個新的競爭環(huán)境

早在 2009 年，臺積電就開始認真探索芯片小型化的替代方案，蔣尚義建議封裝可能是提高性能的替代方法。

芯片封裝一度被視為業(yè)界的事后想法，僅僅是保護集成電路的一種方式。與芯片制造相比，它對技術的要求要低得多，而且似乎并沒有像增加晶體管數(shù)量那樣提供同樣的性能改進。

但蔣意識到，以新穎的方式連接不同類型的芯片（例如內(nèi)存和處理器）可以帶來巨大的改進。2009 年，他說服臺積電創(chuàng)始人張先生支持他的封裝計劃，并獲得了 1 億美元的預算和 400 人的團隊來使其發(fā)揮作用。

現(xiàn)年 92 歲的臺積電創(chuàng)始人張忠謀在 2009 年批準了該公司的第一個大型芯片封裝項目。（Ken Kobayashi 攝）

成功并沒有立即到來。

蔣尚義回憶道，頭兩年，沒有芯片客戶愿意嘗試新技術，因為與傳統(tǒng)封裝相比，它太貴了。“一些臺積電高管甚至嘲笑我，說我的提議變成了每月只生產(chǎn) 50 片晶圓的業(yè)務?！?nbsp;

現(xiàn)在很少有人笑了。

芯片封裝現(xiàn)已被公認為全球頂級芯片制造商的最新戰(zhàn)場。

今年，英特爾 40 年來首次重新設計了其旗艦 PC 芯片組的架構，以利用先進的封裝技術。負責中央處理、人工智能計算、圖形和數(shù)據(jù)傳輸接口的四個“模塊”已被組合成一個芯片。

Nvidia 的 H100 芯片組是 OpenAI 廣受歡迎的 ChatGPT 背后的動力源泉，集中體現(xiàn)了 這一趨勢。其集成設計將圖形處理器與六顆高帶寬內(nèi)存芯片直接連接，并采用臺積電提供的先進封裝技術。 

H100芯片組由美國Nvidia在臺積電的幫助下生產(chǎn)。（蓋蒂圖片社拍攝）

2021年，英特爾和臺積電等行業(yè)巨頭開始了有史以來最大規(guī)模的芯片封裝擴張，承諾對該技術進行總計超過200億美元的多年投資。就連美國政府也開始關注，除了 520 億美元的半導體補貼之外，還額外撥款 30 億美元用于芯片封裝的研究。

據(jù)研究機構 IDC 估計，新型芯片封裝市場預計將從今年的 437 億美元增至 2028 年的 743 億美元。

 先進芯片封裝市場（涉及將多個芯片堆疊到晶圓上）的市場增長尤其迅速。

歐洲領先芯片制造商恩智浦半導體公司的首席技術官 Lars Reger 告訴《日經(jīng)亞洲》，在數(shù)字計算領域，“封裝”可能會接管許多創(chuàng)新。他說：“讓我們像煎餅一樣堆疊所有這些芯片，然后進行三維......堆疊一個 5 nm 芯片，再在上面堆疊另一個，然后將其制成一個封裝。”

 中國有機會嗎？

在中國，由于美國制裁切斷了中國芯片制造商獲得先進芯片機器的渠道，芯片制造商正在努力應對摩爾定律進一步放緩的問題。

一般來說，由于芯片封裝對技術的要求低于制造，因此進入和進步的壁壘較低。

“先進封裝不需要非常精密、復雜的設備，并且可以使用先進封裝技術將[性能]從7納米推進到5納米甚至3納米，”景碩互聯(lián)科技的一位高管Nvidia 和 AMD 芯片基板供應商說道?！耙虼嗽谀撤N程度上，摩爾定律的放緩對于中國芯片制造商來說是縮小與領跑者差距的好時機?！?nbsp; 

芯片設施建設商諾瓦科技(Nova Technology)總裁馬大衛(wèi)(David Ma)表示，芯片封裝的出現(xiàn)對中國來說是一個潛在的福音?！叭绻磥硐冗M芯片封裝成為主旋律，當然，這可能為中國提供另一個捷徑，”他說。

業(yè)內(nèi)人士表示，中國芯片行業(yè)可以利用芯片封裝熱潮趕上其他全球半導體領導者。（蓋蒂圖片社拍攝）

 體力有限，食欲無限

對于物理定律多久會終結晶體管越來越小，目前還沒有定論。

臺積電董事長劉德音在 9 月份的一次行業(yè)活動中表示：過去 50 年來，半導體技術的發(fā)展就像走在隧道里一樣。前方的道路是清晰的，并且有一條明確的道路。每個人都知道需要做什么：縮小晶體管。

“現(xiàn)在，我們已經(jīng)到達了這條隧道的出口。半導體技術的開發(fā)變得越來越困難。然而，在隧道之外，還有更多的可能性......我們不再發(fā)現(xiàn)自己受到隧道的限制?！?/p>

目前還沒有人敢完全放棄摩爾定律。

英特爾首席執(zhí)行官帕特·基辛格(Pat Gelsinger)誓言要“耗盡元素周期表”，以保持摩爾定律的生命力，該公司試圖在四年內(nèi)推進五代產(chǎn)品，以奪回在半導體制造領域失去的領先地位?；粮裆蟼€月在臺北表示：“我們將改變物理學并尋找新的創(chuàng)新方法——包括晶體管架構以及我們在這里的封裝和交付方式?！?/p>

除了兩年內(nèi)預計推出的 2 納米芯片之外，領先制造商已經(jīng)在開發(fā) 1.4 納米芯片，并計劃在 2032 年推出 1 納米芯片。

英特爾首席執(zhí)行官帕特·基辛格（Pat Gelsinger）承諾在其使命中“改變物理學”，創(chuàng)造更強大的芯片。

這需要比利時領先的研究機構 IMEC 在 2022 年推出一種新的晶體管結構。英特爾高級副總裁Sanjay Natarajan表示，該公司在垂直堆疊新品種晶體管方面取得了早期成功，取得了關鍵突破，為生產(chǎn)小于1納米的芯片鋪平了道路。

“十年前，考慮 3 納米芯片幾乎是不可想象的。但現(xiàn)在（它們）已經(jīng)投入生產(chǎn)，”美國芯片材料制造商 Entegris 首席技術官 James O'Neill 說道。

全球最大的芯片設備制造商 ASML 的機器定義了集成電路的印刷尺寸，該公司表示，“摩爾定律已多次被宣布失效，但它仍然存在?！?/p>

然而，雄心壯志必須根據(jù)成本來衡量。據(jù) International Business Strategies 稱，建造適合運行人工智能計算的 2 納米芯片的初始投資將接近 300 億美元，是為消費電子產(chǎn)品建立微控制器芯片工廠的 10 倍。

“我們在1nm之后不斷突破的目的是什么？”日本一家領先的芯片生產(chǎn)設備制造商的高管想知道?！拔覀冎皇亲非蠹夹g突破嗎？我們必須考慮什么才能證明如此大量的資源和投資是合理的。”

對于像蘋果這樣在產(chǎn)品中使用尖端芯片的公司來說，生產(chǎn)成本已經(jīng)飆升。例如，制造 iPhone 處理器的成本在過去十年中增加了十倍。

麥肯錫公司高級合伙人 Ondrej Bur kacky 表示：“每個晶體管成本下降的邏輯基本上在 28 nm 時代就結束了?！彼a充說，尖端芯片將變得越來越難以負擔，而且進步必須使對客戶的經(jīng)濟意義。

臺積電的劉德音說“我不認為所有的芯片制造商都會到達最后的終點線。當今推動半導體技術發(fā)展的途徑有很多?！?/p>

芯片巨頭臺積電正在美國亞利桑那州建設一座大型工廠，計劃于 2025 年開業(yè)。（鄭廷芳攝）

然而，芯片行業(yè)的一些聲音認為黃金時代可能已經(jīng)結束?！凹舛思夹g有一天會成為成熟技術，這是不可避免的?！比毡绢I先的芯片工具供應商之一佳能的一位行業(yè)資深人士這樣認為，許多行業(yè)都發(fā)生過這種情況，例如顯示器行業(yè)，而且將來也可能發(fā)生在芯片行業(yè)。

“雖然處理器性能仍在提高，但每一代的增長率都在下降。......我們需要對這些后續(xù)技術（半導體物理之外）進行數(shù)十或數(shù)百倍的投資，因為計算機的改進對經(jīng)濟非常重要，”麻省理工學院計算機科學未來科技研究項目主任尼爾·湯普森和人工智能實驗室說道。  

奧地利領先芯片基板供應商 AT&S 首席技術官 Peter Griehsnig 表示，量子計算機仍然是一項新興技術，可能是未來的選擇之一?！叭绻銓⒎掌髋c量子計算機集成以實現(xiàn)特定算法，這將是一個顯著提高性能的機會。

臺積電前研發(fā)主管蔣尚義認為未來實現(xiàn)更快計算的途徑很可能是半導體以外的技術。他表示，展望未來，理想的情況將是“完全不同的東西，可以取代硅芯片，并可以繼續(xù)提高計算性能。業(yè)界仍在探索所有可能性，但還沒有明確的答案。” 

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文章來源：半導體產(chǎn)業(yè)縱橫編譯自日經(jīng)亞洲