摩尔定律现状

2024-02-05 18:28:28

　　江南体育app“‘摩尔定律’的定义几乎指的是与半导体行业相关的任何事物，当在半对数纸上绘制时，这些定律近似于一条直线。”——戈登摩尔。

　　在这篇文章，我们探讨了摩尔定律的历史和现状。它不是对摩尔定律历史或半导体未来发展的技术基础的详细探索。相反，它试图提供摩尔定律及其发展的高级概述。在这次探索中，我很高兴能够在几个方面借鉴戈登·摩尔自己的观点。

　　近年来，摩尔的预测主导了该主题的流行讨论。这个 Google Ngram在其文章中描述了过去十年中“摩尔定律”如何出现在当前出版的书籍中，几乎与该定律描述的“集成电路”的引用一样频繁。

　　也许我们不应该感到惊讶。由于个人电脑、互联网和智能手机改变了我们的生活和社会，因此“摩尔定律”具有了文化意义，反映了这些变化的重要性。

　　但摩尔定律的许多讨论中都出现了不精确性。一些评论家已经忘记或选择不讨论摩尔定律的真正含义。例如，上面最近发表的《经济学人》文章提出了一些重要且有趣的新技术，但值得注意的是，考虑到报纸的名称，它忽略了对“定律”核心的经济学的任何讨论。

　　这种缺乏精确性可能是《经济学人》所提到的分歧的根源。摩尔定律仍然适用还是已经结束？让我们来听听两位行业*的看法：

　　英伟达CEO黄仁勋在2022年九月表示——摩尔定律已死（原文：Moore’s Law’s dead）；

　　这并不是摩尔定律*次被宣告死亡，或者至少是接近其生命的尽头。这是“摩尔定律的终结”的进一步演进，自 20 世纪 90 年代末以来，该定律显然一直是人们讨论的热门话题。

　　摩尔定律未来的不确定性是不可避免的。如果存在可预见的技术障碍，那么对该法是否继续实施的质疑是可以预料的。但正如我们所知，半导体行业一次又一次地突破了这些技术障碍。

　　在这篇文章中，我们将再次审视摩尔的原始预测和修订后的预测。我们将尝试理解摩尔定律的真正含义。今天我们将看看关于摩尔预测的各种说法。

　　戈登摩尔并不是*个预测单个集成电路上晶体管数量大幅增加的人。1964 年在纽约举行的 IEEE 会议上，西屋公司的 Harry Knowles 预测：“到 1974 年，我们将在单个晶圆上获得 250,000 个逻辑门。”

　　摩尔当时就在观众席中，他后来回忆说，他认为Knowles的预测“荒谬”。他工作的地方仙童公司正在努力在一英寸晶圆上安装“少数”多个逻辑门。会议上的其他发言者对半导体技术的发展也持更加保守的观点，这与Knowles相矛盾，Knowles的预测被其他人认为是“疯狂的”。

　　然而，摩尔很快发现Knowles的预测并不像他想象的那么疯狂。1965 年，当他被要求为《电子》杂志撰写一篇有关半导体行业未来的文章时，他查看了有关已取得成就的数据：

　　如果我们采用摩尔引用的数字，我们有 1965 年的 50-60 个组件，增加到 1975 年的 65,000 个，十年内增加了大约 1,000 个。这相当于十年来组件数量每年增加一倍。

　　摩尔的一位朋友、加州理工学院的Carver Mead 很快将这一预测称为“摩尔定律”。1975 年，摩尔重新审视“摩尔定律”。看看他的最新数据，他提出了修正后的预测：

　　这个“1975 年定律”还有一个版本，涉及每 18 个月将（计算机性能）提高一倍，摩尔将其归因于英特尔的戴夫·豪斯 (Dave House)：

　　1995 年，戈登·摩尔 (Gordon Moore) 在一篇题为《Lithography and the Future of Moore’s Law》的文章中重新审视了他的预测。他绘制了一张图表，显示尽管他的预测没有准确实现，但变化率却得到了相当准确的跟踪。

　　摩尔在其最初预测 40 周年之际再次重新审视了他的预测。他再次发现，他修改后的预测效果很好。

　　要了解 2020 年的最新更新，我们可以访问“Our World in Data”网站，该网站展示了 CPU 上晶体管数量的历史趋势：

　　1965 年，戈登·摩尔 (Gordon Moore) 预测这种增长至少还会持续 10 年。他说得对吗？

　　在图表中，我们直观地看到了自 1970 年以来晶体管密度（集成电路上晶体管的数量）的增长情况。

　　它看起来与摩尔 1965 年绘制的简单图惊人地相似。再次注意，晶体管数量位于对数轴上，因此随时间的线性关系意味着增长率是恒定的。

　　这是一个有趣的动画，它将 1969 年至 2019 年期间的 CPU 和 GPU 晶体管数量与摩尔的预测（1975 年修订）进行了比较。

　　为了更深入地了解摩尔的预测是如何在实践中实现的，值得考虑一下这一进展是如何实现的。Moore 在 1975 年对此进行了研究：

　　也许令人惊讶的是，增长的贡献很少是由于“尺寸缩小”的贡献，而有多少是由于摩尔所说的“Device and Circuit Cleverness”。最后一项是什么？

　　他还发现“芯片尺寸增加”的贡献与较小元件的贡献接近。1975 年，Intel 8080 微处理器芯片的尺寸为 20mm²。如今，Apple M1 Max 芯片尺寸为 425mm²。20 的增长系数低于摩尔推断所需的系数，但仍然意味着它在过去几十年中对该定律的进步做出了重大贡献。

　　摩尔不仅仅关注芯片尺寸的增长。他还考虑了增加晶圆尺寸，在摩尔撰写这篇回顾文章时，晶圆尺寸已从四分之三英寸增长到 300 毫米。这与他推测的推断之一所暗示的 57 英寸晶圆尺寸不太相符。不过，英特尔确实提供了这在实践中可能意味着什么的说明。

　　我们已经看到摩尔并没有预测性能每 18 个月翻一番。芯片上更多的组件可以带来性能的提高，但这种关系很复杂，而且登纳德缩放比例在 2006 年左右结束意味着即使摩尔定律继续存在，性能的增长速度也已经放缓。

　　（2）我们可以用摩尔 1965 年原始论文中的图表来说明这一点，该论文的电路包含更多元件，但单位经济性较差。摩尔的预测是关于这些曲线的最小值；

　　至关重要的是，每个组件的成本呈指数级下降。如果每个元件的成本不以这种方式下降，那么元件数量呈指数级增长的集成电路的成本将呈指数级增长。

　　顺便说一句，为什么每个组件的制造成本图表看起来像这样？西屋公司的Harry Knowles在摩尔*篇文章之前发表的一篇论文中提供了一条线索。它是“收益率曲线% 收益率成本曲线”的乘积。

　　摩尔定律最终成为一个自我实现的预言，部分原因是公司以按照摩尔预测进行改进的方式组织自己。那么，也许计划多于运气！

　　只是说“这与经济学有关”并不能真正帮助我们理解正在发生的事情。让我惊讶的是，在研究这篇文章时，关于摩尔定律背后的经济学的文章似乎很少。也许这是由于该主题的复杂性以及它位于两个专业的交叉点这一事实。摩尔定律是半导体制造经济与基础技术之间一系列高度复杂相互作用的最终结果。

　　摩尔已经看到了他工作过的公司（首先是仙童公司，然后是英特尔公司）的技术创新步伐是可行的。而什么是可能的，部分取决于企业能够承担的投资水平。

　　如上所述，这个循环当然是实际情况的简化。它忽略了半导体制造商之间的竞争，实际上，这将是影响他们开发更先进设备的主要因素。不过，我认为有趣的是，根据上述模型，企业之间的竞争并不是维持这种良性循环的先决条件。

　　该模型的另一种简化方式是，参与者可以展望两年以上的周期，预测未来的改进，并为以后周期的需要做好准备。

　　我有理由确信，这是促使摩尔以这种方式提出问题的原因之一。通过概述他认为可以预期改进的速度，他提示供应商和客户为这些改进做好准备。

　　这些改进的实际速度也很重要。摩尔利用他的观察和经验制定了他认为可能可持续的改进步伐。如果他错了，那么这可能会导致良性循环的潜在破坏：

　　公开这种改进速度的一个附带好处是，尽管企业可能会试图加快步伐以获得竞争优势，但生态系统以一致的速度发展将限制它们。

　　我们已经过去了摩尔认为他可以预见的“十年左右”的时间。我们现在可以更多地谈谈“摩尔定律”何时结束吗？

　　首先要指出的是，像摩尔定律这样的指数必然会在某个时刻结束。集成电路上的元件数量不可能“永远”继续翻倍。

　　我们在这篇文章开始时发表的《经济学人》文章重点讨论了创造更复杂设备过程中遇到的一些技术障碍。它强调了一些试图绕过这些障碍的措施，从“几乎投入生产”到“有些投机”，包括：

　　正如我们所指出的，摩尔定律已被用来创建半导体行业可以自我组织的时间表。此时，我们可以参考“设备和系统国际路线图”（IRDS）中规定的当前时间表。

　　2023 年路线图的执行摘要可免费下载，这是一本引人入胜且不太长的 64 页读物，它提供了有关光刻、材料科学、计量学和芯片制造的其他关键方面可能发展的大量细节过程。

　　尽管摩尔定律的“headline”并没有直接指定更小的元件，但正如我们所看到的，在实践中，通过所谓的“节点缩小”创建更小的元件是实现每芯片元件指数级增长的关键。

　　在这一点上，我们需要澄清一个更常见的误解。也许对公众理解摩尔定律最无益的贡献是“工艺节点”的命名。事实上，带有物理长度标签的“节点尺寸描述”，例如5nm、3nm、18A等，与元件的实际尺寸无关。不过，人们普遍认为，由于组件的尺寸接近原子尺度，我们已经达到了基本极限，这并不奇怪。正如塞缪尔·K·摩尔 (Samuel K. Moore) 早前在IEEE Spectrum 上发表的一篇题为“It’s time to throw out the old Moore’s Law metric”的文章中所说：

　　“毕竟，1 nm 还不到五个硅原子的宽度。因此，您可能会认为摩尔定律很快就会消失，半导体制造的进步不会使处理能力进一步飞跃，并且固态器件工程是一条死胡同的职业道路。但你错了。半导体技术节点系统描绘的图景是错误的。7 nm 晶体管的大多数关键特性实际上比 7 nm 大得多，并且术语和物理现实之间的脱节已经持续了大约二十年。”

　　“IEEE国际设备与系统路线图（IRDS）主席Gargini在4月份提出，行业‘回归现实’，采用结合接触栅间距（G）、金属间距（M）的三数度量 ，并且对于未来的芯片来说至关重要的是芯片上器件的层数 (T)。”

　　IRDS 路线 nm 的接触栅极间距、36 nm 的金属间距和单层，即公制 G48M36T1。它并不完全是口头上说的，但它确实传达了比“5 纳米节点”更有用的信息。

　　这一成本将我们带到了第二个潜在的障碍，即需要创建或扩大更复杂的集成电路的市场。不过，首先需要注意的是。接下来必然是对制造芯片的基本经济学的某些方面的极其简化的讨论。

　　值得注意的是，不仅集成电路上的元件数量呈指数级增长（与定律基本一致），而且这些集成电路的价格仍然可以承受，这反过来意味着每个元件的成本也呈指数级下降。尽管半导体工厂的成本不断上涨，但情况仍然如此。

　　戈登·摩尔 (Gordon Moore) 阐述了后来被称为“摩尔第二定律”或“洛克定律”（以阿瑟·洛克（Arthur Rock）命名，他帮助资助了英特尔并担任该公司多年董事长），该定律指出“半导体芯片制造的成本每四年翻一番”。

　　而“前沿”光刻工具的成本持续快速上升。ASML 刚刚向英特尔交付其*“高数值孔径”EUV 系统，据报道售价为 2.75 亿美元。

　　只有使用设备的公司能够增加销售额，设备价格才能在较长时期内持续上涨。他们确实做到了。这是台积电过去二十年的收入。

　　但如果这种增长结束会发生什么？让我们来看看，如果来自更昂贵的光刻工具或其他原因的更高成本，加上静态需求，最终导致更高的价格，可能会发生什么。

　　更高的价格在经济上有意义吗？只有用户从这些更昂贵的芯片中获得相应的价值。我们可以轻松识别此类价值来源的示例：

　　但在某些时候，较小节点的效用不足以证明较高的成本是合理的。即使按照摩尔定律，这些较小的节点继续具有*的单位经济效益，它们仍然可能意味着“每芯片”成本如此之高，以至于无法证明其合理性。

　　举个例子，苹果目前可能愿意支付更高的价格购买台积电的最新晶圆，这些芯片将用于最昂贵的 iPhone。但如果价格继续上涨，这种情况就不可能无限期地持续下去。消费者为高端手机支付的价格最终是有限的。

　　然后我们需要记住，投资的增加需要需求的增加。更高的晶圆成本不可避免地会降低需求，从而打破数十年来推动摩尔定律的需求增加和投资增加的良性循环。

　　也许对*进的半导体会有新的需求来源，这将有助于长期维持投资并降低单位成本。也许来自机器学习的新应用？我们拭目以待。

　　最终，即使节点进一步缩小，芯片成本上升也意味着如果没有额外的需求，“良性循环”的经济性将会崩溃。

　　即使制造更先进节点的经济学不再有意义，那么，特别是地缘，可能会发挥作用。以下是一些最近的头条新闻：

　　目前，我们正处于一场“芯片竞赛”，各国竞相投入资金创建新的“晶圆厂”。这些国家真正想要的是“前沿”制造技术。

　　那么，也许政府可以通过资助研发和先进制造所需的投资来维持这种良性循环一段时间。我说“也许”是因为并不确定这些头条新闻中的现金如果真的花掉的话，是否会花得很好，并会促进*进的技术发展。

　　摩尔本人敏锐地意识到需求的指数增长不可能永远持续下去。以下是摩尔 1995 年论文中的图表，该论文将“全球生产总值”与半导体行业进行了比较：

　　“如您所见，1986 年半导体行业约占 GWP 的 0.1%。仅仅十年后，到2005年左右，如果我们保持同样的增长趋势，我们将达到1%；到 2025 年左右，将达到 10%。到本世纪中叶，我们将实现一切。显然，行业增长必须放缓。

　　我不知道我们能达到多少全球升温潜能值，但超过百分之一肯定会让我感到惊讶。我认为，信息产业显然将成为这一时期世界上*的产业，但过去的大型产业，例如汽车，并没有达到全球升温潜能值的百分之一。我们的行业增长必须相对较快地放缓。我们这里有一个固有的冲突。成本呈指数级上升，而收入无法长期以相应的速度增长。我认为这至少是一个与达到十微米的技术挑战一样大的问题。”

　　根据我的估计，2023 年芯片制造商的总收入约为全球 GDP 的四分之一，因此摩尔在这种情况下的偏差超过一个数量级。但他的基本观点仍然成立。这种关系最终必然会限制行业的发展规模。

　　正如上面引用的 IEEE 文章所说——Gargini 表示：“到 2029 年左右，我们将达到光刻技术的极限。在那之后，前进的道路就是堆叠……这是提高我们密度的*方法。”

　　“作为增加 IC 晶体管密度的一种手段，功能扩展在未来 10 年甚至更长时间内将继续有增无减。然而，晶体管沟道长度缩放不再是满足性能要求的‘必须要做的事情’，因为由于动态功耗的限制，*工作频率仅限于 5-6 GHz。多层 NAND 存储单元正在稳步生产，纳米片晶体管将紧随 FinFET 晶体管之后，然后是堆叠式 NMOS/PMOS 晶体管。各种 2.5D 和 3D 结构方法将增加新的性系统中的组件密度和许多同质和异质技术的集成。”

　　用较小的组件构建系统不仅仅意味着通过“堆叠”组件来实现“垂直”。它还包含并排连接的较小芯片的“小芯片”。

　　在 Hot Chips 2019 上，台积电的 Philip Wong 发表了题为“下一个节点将为我们提供什么？”的演讲，该演讲以这张幻灯片开头：

　　然后，演讲用了一半以上的时间讨论“系统集成”或用较小的功能创建更大的系统，这张幻灯片简洁地总结了这一点：

　　如果您一直密切关注摩尔定律的辩论，那么您会发现上面帕特·基辛格的引述并不代表他在该主题上的最新立场。就在英特尔 Innovate 2023 大会上展示这张幻灯片几个月后……

　　事实证明，摩尔定律到底是死是活这个谜题的答案是，当我们打开盒子时，我们会发现薛定谔原来那只不幸的猫实际上已经死了。不过，其一位近亲还活着。

　　平心而论，基辛格长期以来一直对摩尔定律的含义存在一定程度的不精确性。戈登·摩尔本人在 1995 年说道：

　　节点缩减将持续一段时间，但速度会较慢，但成本也会变得更高。但摩尔定律不仅仅涉及缩小元件。已经并将继续有其他方法“将更多元件塞进集成电路”，包括摩尔的“设备智能”和“用较小功能实现大系统”，这将继续帮助推动摩尔定律（修订版） 再持续一段时间。

　　【本文由投资界合作伙伴半导体行业观察授权发布，本平台仅提供信息存储服务。】如有任何疑问，请联系（投资界处理。