行業(yè)新聞

穿越60年的神話：摩爾定律最新發(fā)展（中）

03摩爾定律：誤解與現(xiàn)實(shí)

在繼續(xù)講述之前，我們應(yīng)該解決關(guān)于摩爾定律的一些流行誤解，并強(qiáng)調(diào)一些關(guān)鍵點(diǎn)。摩爾定律：

1.并非一個(gè)“自然定律”

這與設(shè)備的基本物理或化學(xué)特性無(wú)關(guān)，當(dāng)然，是基本物理和化學(xué)特性最終限制了元件的尺寸。

2.并不能預(yù)測(cè)計(jì)算機(jī)性能的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

我們已經(jīng)看到，摩爾沒有預(yù)測(cè)性能每18個(gè)月翻一番。芯片上更多的組件可以帶來(lái)性能的提高，但這種關(guān)系很復(fù)雜，2006年左右，Dennard Scaling5的結(jié)束意味著即使摩爾定律仍在繼續(xù)，性能的增長(zhǎng)速度也有所放緩。

3.并非僅僅是縮小元件尺寸

參照上面和后面的更多討論。

4.確實(shí)對(duì)集成電路上組件數(shù)量隨最佳單位經(jīng)濟(jì)性（即每個(gè)組件的最低成本）的增長(zhǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)

摩爾定律并沒有描述集成電路上組件數(shù)量的最大可能增長(zhǎng)。我們可以用摩爾在1965年的原始論文中的這張圖表來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)，該圖表顯示了具有更多組件但單位經(jīng)濟(jì)性較差的電路。摩爾的預(yù)測(cè)是關(guān)于這些曲線的最小值。

關(guān)鍵在于，每個(gè)組件的成本呈指數(shù)級(jí)縮減。如果每個(gè)組件的成本不以這種方式降低，那么具有指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)數(shù)量的組件的集成電路成本將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

順便說(shuō)一句，為什么每個(gè)組件的制造成本圖表看起來(lái)像這樣？在摩爾的第一篇文章發(fā)表之前，西屋電氣公司的Harry Knowles發(fā)表的一篇論文中有一個(gè)線索。這是“產(chǎn)出曲線”和“每個(gè)組件的100%產(chǎn)出成本曲線”的乘積。

最后一點(diǎn)，摩爾定律已經(jīng)被用來(lái)創(chuàng)建一個(gè)時(shí)間表，半導(dǎo)體行業(yè)可以圍繞它安排自己的發(fā)展。

摩爾定律最終成為了一個(gè)自我實(shí)現(xiàn)的預(yù)言，部分原因是公司以這種方式組織自己，以根據(jù)摩爾的預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)。或許，與其說(shuō)是運(yùn)氣，不如說(shuō)是計(jì)劃！

作為經(jīng)濟(jì)學(xué)的摩爾定律

如果摩爾定律不是自然定律，那么它到底是什么？

“摩爾定律實(shí)際上是關(guān)于經(jīng)濟(jì)學(xué)的。我的預(yù)測(cè)關(guān)于半導(dǎo)體行業(yè)的未來(lái)方向，我發(fā)現(xiàn)通過其一些基本經(jīng)濟(jì)學(xué)可以最好地理解該行業(yè)?！甑恰つ枴?/span>

然而，僅僅說(shuō)“與經(jīng)濟(jì)學(xué)有關(guān)”并不能真正幫助我們理解正在發(fā)生的事情。讓我感到意外的是，在研究這篇文章時(shí)，關(guān)于摩爾定律背后的經(jīng)濟(jì)學(xué)似乎被寫得出奇地少。這或許是因?yàn)檫@個(gè)主題很復(fù)雜，而且它位于兩個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的交匯處。摩爾定律是半導(dǎo)體制造經(jīng)濟(jì)學(xué)和底層技術(shù)之間一系列高度復(fù)雜相互作用的最終結(jié)果。

為了突破這種復(fù)雜性，對(duì)摩爾定律的一種（非常簡(jiǎn)單的）思考方式是作為良性循環(huán)的闡述:

創(chuàng)造更復(fù)雜的設(shè)備……導(dǎo)致……；這些設(shè)備的市場(chǎng)更大……這反過來(lái)又刺激……；對(duì)研發(fā)和更復(fù)雜制造的投資……這反過來(lái)又導(dǎo)致……；創(chuàng)建更復(fù)雜的設(shè)備……；……如此循環(huán)下去…

摩爾在他工作的公司（首先是仙童公司，然后是英特爾公司）里看到了技術(shù)創(chuàng)新的可行速度。什么是可能的，部分取決于企業(yè)能夠承擔(dān)的投資水平。

正如上文所述，這個(gè)周期當(dāng)然是對(duì)實(shí)際情況的簡(jiǎn)化。它忽略了半導(dǎo)體制造商之間的競(jìng)爭(zhēng)，而在實(shí)際操作中，這將是影響他們發(fā)展更先進(jìn)設(shè)備方法的主要因素。然而，我認(rèn)為根據(jù)上述模型，有趣的是，公司之間的競(jìng)爭(zhēng)并非維持這一良性循環(huán)的先決條件。

這種模式的另一個(gè)簡(jiǎn)化之處是，參與者可以展望兩年以上的周期，預(yù)測(cè)未來(lái)的改進(jìn)并為以后周期的需要做準(zhǔn)備。

這是“定律”的奇妙之處之一。通過為這些發(fā)展制定時(shí)間表，企業(yè)可以集體組織起來(lái)以實(shí)現(xiàn)這些發(fā)展。

有理由確信，這是促使摩爾以這種方式陳述問題的原因之一。通過概述他認(rèn)為可以預(yù)期改進(jìn)的速度，他給供應(yīng)商和客戶提供了一個(gè)提示，讓他們?yōu)檫@些改進(jìn)做好準(zhǔn)備。

這些改進(jìn)的實(shí)際節(jié)奏也很重要。摩爾利用他的觀察和經(jīng)驗(yàn)制定了一個(gè)他認(rèn)為可能是可持續(xù)的改進(jìn)速度。如果他弄錯(cuò)了，那么這可能會(huì)導(dǎo)致良性循環(huán)的潛在中斷:

過快的速度會(huì)導(dǎo)致技術(shù)上的過度延伸，可能導(dǎo)致無(wú)法制造出所需的更復(fù)雜的設(shè)備；

太慢的速度則不足以刺激維持制造這些設(shè)備所需投資的需求

通過保持可控但有意義的進(jìn)展速度，這一勢(shì)頭才能得以延續(xù)。

將這一改進(jìn)速度公之于眾的一個(gè)附帶好處是，盡管企業(yè)可能會(huì)試圖加快速度以獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但以一致的速度發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)將限制它們。

04摩爾定律的終結(jié)

摩爾在2005年做出了最后一組預(yù)測(cè)。

“正如過去四十年所證明的那樣，一群富有獻(xiàn)身精神的科學(xué)家和工程師能夠做出令人驚嘆的事情。我看不到什么時(shí)候結(jié)束，我只能看到未來(lái)十年左右的情況。——戈登·摩爾，2005年”

現(xiàn)在距摩爾認(rèn)為他可以預(yù)見未來(lái)的“十年左右”已經(jīng)過去了將近十年。我們現(xiàn)在能更多地談?wù)撽P(guān)于“定律”何時(shí)終結(jié)的問題嗎？

首先要指出的是，像摩爾定律這樣的指數(shù)增長(zhǎng)總會(huì)在某個(gè)時(shí)候終止。集成電路上的組件數(shù)量不可能“永遠(yuǎn)”繼續(xù)翻倍。

然后，如果我們回到良性循環(huán)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)循環(huán)可能會(huì)因?yàn)槲茨茏龅揭韵聨c(diǎn)而被打破：

創(chuàng)建更復(fù)雜的設(shè)備，或者…；為這些設(shè)備創(chuàng)建/擴(kuò)大市場(chǎng)，或者…；刺激研發(fā)和先進(jìn)制造投資…;讓我們依次看看這些潛在的“故障點(diǎn)”。

物理限制和路線圖

本帖開篇的提到的《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》發(fā)表的文章關(guān)注的是如何解決制造更復(fù)雜設(shè)備過程中的一些技術(shù)障礙。它強(qiáng)調(diào)了一些試圖繞過這些障礙的措施，從“幾乎投入生產(chǎn)”到“有點(diǎn)投機(jī)”，包括:

從“finFET”轉(zhuǎn)向“納米片”；背面供電；硅的替代品包括“過渡金屬二硫?qū)倩铩保?/span>

所有這些，無(wú)論以何種方式，都是達(dá)到一個(gè)目的的手段——進(jìn)一步縮小組件。

正如我們所注意到的，摩爾定律被用來(lái)創(chuàng)建一個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)自我組織的時(shí)間表。此時(shí)，我們可以參考“設(shè)備和系統(tǒng)國(guó)際路線圖”（IRDS）中列出的當(dāng)前時(shí)間表。

2023年路線圖的執(zhí)行摘要可免費(fèi)下載。這本書有64頁(yè)，讀起來(lái)很引人入勝，也不算太長(zhǎng)，它提供了許多關(guān)于光刻技術(shù)、材料科學(xué)、計(jì)量學(xué)和芯片制造過程其他關(guān)鍵方面可能發(fā)展的細(xì)節(jié)。

我們不打算在這里總結(jié)報(bào)告的內(nèi)容。相反，我們將只關(guān)注制造過程中可能終結(jié)摩爾定律的一個(gè)方面。

雖然摩爾定律的“頭條”并沒有直接指定更小的組件，但正如我們所看到的，在實(shí)踐中，通過所謂的“節(jié)點(diǎn)縮小”創(chuàng)建更小的組件一直是實(shí)現(xiàn)該定律預(yù)測(cè)的芯片上組件指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的關(guān)鍵。

在這一點(diǎn)上，我們需要澄清一個(gè)常見的誤解。也許對(duì)公眾理解摩爾定律最無(wú)益的貢獻(xiàn)是“過程節(jié)點(diǎn)”的命名。事實(shí)上，帶有物理長(zhǎng)度標(biāo)簽（如5納米、3納米、18納米等）的“節(jié)點(diǎn)大小描述”與組件的實(shí)際大小無(wú)關(guān)。毫不奇怪的是，人們普遍認(rèn)為我們正接近基本極限，因?yàn)榻M件的大小正在接近原子級(jí)。正如Samuel K. Moore在2020年IEEE Spectrum上發(fā)表的一篇副標(biāo)題為“是時(shí)候拋棄舊的摩爾定律指標(biāo)了”的文章中所述：

“畢竟，1納米只相當(dāng)于五個(gè)硅原子的寬度。因此，你完全可以認(rèn)為摩爾定律將很快終結(jié)，半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步將不再帶來(lái)處理能力的提升，固態(tài)器件工程是一條沒有未來(lái)的職業(yè)道路。然而，你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己想錯(cuò)了。半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)呈現(xiàn)出的畫面是不真實(shí)的。一個(gè)7納米晶體管的大部分關(guān)鍵特征實(shí)際上遠(yuǎn)大于7納米，而這種名稱與物理現(xiàn)實(shí)之間的脫節(jié)大約已經(jīng)有二十年的歷史了?！?/span>

Samuel K. Moore舉了一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明這在實(shí)踐中意味著什么：

IEEE國(guó)際設(shè)備與系統(tǒng)路線圖（IRDS）主席Gargini在4月份提出，該行業(yè)通過采用一種三數(shù)字指標(biāo)來(lái)“回歸現(xiàn)實(shí)”，該指標(biāo)結(jié)合了接觸柵極間距（G）、金屬間距（M）以及對(duì)未來(lái)芯片至關(guān)重要的芯片上器件的層數(shù)（T）。

“這三個(gè)參數(shù)是評(píng)估晶體管密度所需的全部信息，”ITRS負(fù)責(zé)人Gargini說(shuō)道。

IRDS（International Roadmap for Devices and Systems，國(guó)際器件與系統(tǒng)發(fā)展路線圖）顯示，即將到來(lái)的5納米芯片具有48納米的柵間距、36納米的金屬間距，以及一個(gè)單層結(jié)構(gòu)——這就是G48M36T1度量。雖然這并不容易讓人記住，但它所傳達(dá)的信息比“5納米節(jié)點(diǎn)”要實(shí)用得多。

因此，這些組件實(shí)際上比其節(jié)點(diǎn)名稱所暗示的要大得多。

盡管如此，這些組件仍然變得非常小！最終達(dá)到由EUV光刻技術(shù)的局限性而產(chǎn)生的極限。

當(dāng)然，我們以前也見過這樣的限制。EUV能夠突破DUV之前的限制，但代價(jià)是……。

節(jié)點(diǎn)縮減導(dǎo)致成本上升

這一成本將我們帶到了第二個(gè)潛在的失敗點(diǎn)，即需要為更復(fù)雜的集成電路創(chuàng)造或擴(kuò)大市場(chǎng)。不過，首先要注意的是，接下來(lái)是對(duì)制造芯片的基本經(jīng)濟(jì)學(xué)的某些方面的極其簡(jiǎn)化的討論。

值得注意的是，不僅集成電路上的組件數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)（大致符合摩爾定律），而且這些集成電路的價(jià)格仍然在可承受范圍內(nèi)，這反過來(lái)意味著每個(gè)組件的成本也呈指數(shù)級(jí)縮減。盡管半導(dǎo)體晶圓廠的成本不斷上升，但情況仍然是如此。

戈登·摩爾闡述了后來(lái)被稱為“摩爾第二定律”或“洛克定律”（以阿瑟·洛克（Arthur Rock）命名，他幫助資助了英特爾并擔(dān)任該公司董事長(zhǎng)多年），該定律指出“半導(dǎo)體芯片制造廠的成本每四年翻一番”。

摩爾本人敏銳地意識(shí)到光刻工具成本的增加。這是他1995年論文中的一張圖表：

這是美國(guó)貿(mào)易機(jī)構(gòu)Sematech在本世紀(jì)初繪制的“階梯”價(jià)格圖表。

“前沿”光刻工具的成本持續(xù)快速上升。ASML剛剛向英特爾交付了其首款“high-NA”EUV系統(tǒng)，據(jù)稱價(jià)格為2.75億美元。

只有使用這種設(shè)備的公司能夠提高銷售額，設(shè)備價(jià)格的長(zhǎng)期上漲才能持續(xù)。他們做到了。下圖是臺(tái)積電過去20年的收入。

更高的成本和更高的效用

但是如果這種增長(zhǎng)停止了會(huì)發(fā)生什么呢？讓我們研究一下，如果更昂貴的光刻工具或其他原因?qū)е碌母叱杀炯由响o態(tài)需求最終導(dǎo)致價(jià)格上漲，可能會(huì)發(fā)生什么。

更高的價(jià)格在經(jīng)濟(jì)上有意義嗎？只有當(dāng)用戶從這些更昂貴的芯片中獲得相應(yīng)的價(jià)值時(shí)才是有意義的。我們可以很容易地找到這種價(jià)值來(lái)源的例子:

低功耗：降低集成電路的使用壽命，或者延長(zhǎng)便攜式設(shè)備的電池壽命。更高的實(shí)用性：能夠?qū)⒏喙δ芎托阅芗傻絾蝹€(gè)集成電路中。

然而，在某種程度上，更小節(jié)點(diǎn)的實(shí)用性可能不足以支持高昂的成本。即使這些更小的節(jié)點(diǎn)按照摩爾定律保持最佳單位經(jīng)濟(jì)性，它們?nèi)钥赡芤馕吨懊總€(gè)芯片”的成本如此之高，以至于無(wú)法被證明合理。

以Apple為例，目前，Apple可能愿意為臺(tái)積電最新的晶圓支付更高的價(jià)格，因?yàn)檫@些芯片將用于最昂貴的iPhone。然而，如果價(jià)格繼續(xù)上漲，這種情況不能無(wú)限延續(xù)。消費(fèi)者為高端手機(jī)支付的價(jià)格終究是有限的。

不斷增長(zhǎng)的投資需求要依賴于持續(xù)增長(zhǎng)的需求。更高的晶圓成本不可避免地會(huì)降低需求，打破驅(qū)動(dòng)摩爾定律數(shù)十年的良性循環(huán)：更大的需求和更高的投資。

也許會(huì)出現(xiàn)一種新的對(duì)最先進(jìn)半導(dǎo)體的需求來(lái)源，有助于長(zhǎng)期維持投資并保持單位成本降低?？赡軄?lái)自機(jī)器學(xué)習(xí)的新應(yīng)用？我們拭目以待。

最終，即使進(jìn)一步縮小節(jié)點(diǎn)是可能的，不斷上升的芯片成本意味著在沒有額外需求的情況下，“良性循環(huán)”的經(jīng)濟(jì)效益將瓦解。

05投資和“芯片競(jìng)賽”

即使制造更先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)學(xué)不再有意義，那么政治，尤其是地緣政治可能會(huì)發(fā)揮作用。以下是一些最近的頭條新聞:

美國(guó)報(bào)告顯示，對(duì)520億美元半導(dǎo)體芯片融資表現(xiàn)出濃厚興趣（2023.08）

布魯塞爾批準(zhǔn)歐洲本土半導(dǎo)體獲得80億歐元的新補(bǔ)貼（2023.06）

日本為國(guó)家芯片行業(yè)準(zhǔn)備了130億美元的資金支持（2023.11）

目前，我們正處于一場(chǎng)“芯片競(jìng)賽”中，各國(guó)競(jìng)相砸錢建立新的“晶圓廠”。這些國(guó)家真正想要的是“最前沿”制造技術(shù)。

或許，通過政府資助研發(fā)以及先進(jìn)制造所需的投資，良性循環(huán)可以維持一段時(shí)間。我之所以說(shuō)“或許”，是因?yàn)樵谶@些頭條新聞中提到的資金，如果真的被投入使用，也無(wú)法確定是否能確保有效的投資以及推動(dòng)技術(shù)的不斷進(jìn)步。

而且，在某個(gè)時(shí)候，甚至政府也可能虧空資金，意識(shí)到自己無(wú)法繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)，或者看不到進(jìn)一步投資的價(jià)值。

摩爾本人非常清楚，需求的指數(shù)增長(zhǎng)不可能永遠(yuǎn)持續(xù)下去。下面是摩爾1995年論文中的一張圖表，比較了“全球國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值”和半導(dǎo)體行業(yè)的情況：

摩爾對(duì)此圖表評(píng)論道：

“正如你看到的，在1986年，半導(dǎo)體行業(yè)約占全球國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的0.1%。僅在十年后，也就是2005年左右，如果我們維持相同的增長(zhǎng)趨勢(shì)，將占到1%；到2025年左右，占到10%。到本世紀(jì)中葉，將占據(jù)全部。顯然，行業(yè)增長(zhǎng)必須放緩。

我不知道我們可以占全球國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的多少，但遠(yuǎn)超1%就會(huì)讓我感到驚訝。我認(rèn)為，在這個(gè)時(shí)期，信息產(chǎn)業(yè)顯然將成為全球最大的產(chǎn)業(yè)，但過去的大型產(chǎn)業(yè)，比如汽車，都沒有達(dá)到全球國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的1%。我們的行業(yè)增長(zhǎng)不久就必須放緩。在這里我們存在內(nèi)在的矛盾。成本呈指數(shù)級(jí)上升，而收入無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間以相應(yīng)的速度增長(zhǎng)。我認(rèn)為這至少與實(shí)現(xiàn)十微米技術(shù)挑戰(zhàn)一樣嚴(yán)重?！?/span>

根據(jù)我的估計(jì)，在2023年，芯片制造商的總收入大約占全球GDP的四分之一百分點(diǎn)，所以在這種情況下，摩爾的判斷偏離了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。然而，他的根本觀點(diǎn)仍然成立。這種關(guān)系必然在最終限制了行業(yè)的增長(zhǎng)規(guī)模。

系統(tǒng)集成

現(xiàn)在我們考慮最后一個(gè)因素。我們將回到摩爾1965年論文中的另一項(xiàng)觀察。

正如上面引用的IEEE文章所說(shuō)：

Gargini表示：“到2029年左右，我們將達(dá)到光刻技術(shù)的極限。在那之后，前進(jìn)的道路就是堆疊……這是提高我們密度的唯一方法。”

設(shè)備和系統(tǒng)國(guó)際路線圖執(zhí)行摘要中提到：

在接下來(lái)的10年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，尺寸縮放將繼續(xù)不受阻礙地作為提高集成電路中晶體管密度的手段。然而，由于動(dòng)態(tài)功耗限制施加的約束，在最大工作功率受限于5-6 GHz的情況下，晶體管溝道長(zhǎng)度縮放不再是滿足性能要求的“必須做到”的指標(biāo)。多層NAND存儲(chǔ)單元已經(jīng)在穩(wěn)定生產(chǎn)，納米片晶體管將在FinFET晶體管之后采用，然后將跟進(jìn)堆疊NMOS/PMOS晶體管。各種2.5D和3D結(jié)構(gòu)方法將增加組件密度，并將許多同質(zhì)和異質(zhì)技術(shù)集成到新的革命性系統(tǒng)中。

用較小的組件構(gòu)建系統(tǒng)不僅僅意味著通過“堆疊”組件來(lái)實(shí)現(xiàn)“垂直”。它還包含并排連接的較小芯片的“小芯片”。

臺(tái)積電的Philip Wong在Hot Chips 2019上發(fā)表了題為“下一個(gè)節(jié)點(diǎn)將為我們提供什么？”的演講，該演講以這張幻燈片開頭：