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。

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。

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。

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……

更多精彩推荐

点分享点点赞点在看