摩爾定律“生死”之爭背后：關乎未來半導體行業(yè)發(fā)展模式

“Moore’s Law： Alive and Well（摩爾定律活得很好）?！比涨?，英特爾CEO帕特·基辛格再次公開表示。

但前不久，英偉達CEO黃仁勛還在向外界傳遞摩爾定律已“死”的觀點。黃仁勛說道：“今天一個12英寸晶圓的價格不是貴了一點，而是貴了超級多。摩爾定律死了，它結束了，結束得很徹底。芯片價格會隨時間降低的故事已經是過去時了。計算已經不再是個芯片問題，是軟件和芯片共同的問題。”

英特爾與英偉達之間關于摩爾定律的“生死”之爭，再度將該定律的“生命年限”問題推至風口浪尖上。多位半導體業(yè)內人士對《中國經營報》表示，黃仁勛與基辛格可能都沒有對，也都沒有錯，他們爭的并非字面上的摩爾定律，而是未來半導體行業(yè)模式。

“守正出奇”

摩爾定律不是一條物理定律，而是戈登·摩爾早期通過觀察發(fā)現(xiàn)的行業(yè)發(fā)展規(guī)律。

1965年，時任仙童半導體公司研究開發(fā)實驗室主任的戈登·摩爾為《電子學》雜志寫了一篇觀察評論報告，在報告中摩爾提到，工程師可以不斷縮小晶體管的體積，芯片中的晶體管和電阻器的數(shù)量每18個月左右會翻番，半導體的性能與容量將以指數(shù)級增長，并且這種增長趨勢將繼續(xù)延續(xù)下去。他的這種預測，被稱為“摩爾定律”。1975年，摩爾修正摩爾定律，提出每隔24個月晶體管的數(shù)量將翻番。

2015年，摩爾定律歡慶50周年，摩爾本人在接受IEEE期刊Spectrum專訪中透露，當年他在發(fā)表摩爾定律的文章時，只是想分享趨勢觀察，沒想到該理論后來變成半導體產業(yè)發(fā)展的定律。

在最初的40年里，晶體管數(shù)量的增長得益于制程工藝的創(chuàng)新，與摩爾定律一直保持著“默契”。 以CPU為例 ，從早年的180納米到后來的130納米再到90、65、45、32、28 納米。在摩爾定律的指導下，英特爾1971年對外公布了世界第一個微處理器4004，宣告了“一個集成電子新紀元已經來臨”。1974年，又推出了微處理器8080。“8080”被當時業(yè)內人士稱贊為有史以來最成功的微處理器之一，也正是從8080開始，個人電腦開始在全世界范圍內流行起來。

許多人，包括摩爾本人在內都沒有意料到摩爾定律生命力竟如此持久。摩爾曾坦言，摩爾定律不會一成不變地永遠繼續(xù)下去，大約還有10～15年就會發(fā)生變化?！叭魏我灾笖?shù)增加的物理量都預示著災難。要知道，這時就接近某種極限了。你總不能超越某種重要的極限?！?/p>

獨立國際策略研究員陳佳對記者表示，當時，電腦處理器性能與時間存在線性關系；又因當時全球處理器市場被寡頭壟斷，導致其價格與時間也存在線性關系。在摩爾定律提出來的五十年間，全球半導體行業(yè)從未跳出來這個線性關系。

技術進步和成本下降

雖然在過去數(shù)十年，摩爾定律一直在影響著半導體產業(yè)的發(fā)展，但也伴隨著爭議，“摩爾定律已死”的說法近十年的時間里從未間斷過。

摩爾定律指的是尺寸在逐年變小的同時，芯片上集成的晶體管數(shù)量越來越多，性能也越來越強，在這個過程中，一直遵循著摩爾定律推進。如果將其置入到實際消費市場中，就體現(xiàn)為大概每隔兩年，新發(fā)布的手機或者電腦等電子產品，性能會遠比前代的產品高出不少。

然而進入21世紀后，單純依靠縮小尺寸的做法正走向窮途末路。不過，摩爾定律總能抓住一些“救命稻草”。在90納米時代，應變硅技術問世。在45納米時代，一種能提高晶體管電容的新材料推出。在22納米時代，三柵極晶體管使芯片性能變得更強大。

但值得注意的是，摩爾定律還被附加了經濟色彩。除了性能之外，成本/價格的同時下降也被視作參考標準。按照摩爾定律，芯片被要求在18~24個月的時間里，“既讓性能翻一倍，又讓價格降一倍”。

根據(jù)AMD在IEDM會議上的資料，若將生產250平方毫米的45納米芯片的生產成本基準定為1，14/16納米芯片的成本將達到2，而生產7納米 芯片的成本更將翻倍達到4。

這也是關于摩爾定律的唱衰言論層出不窮的主要原因。中芯國際創(chuàng)始人張汝京在2014年接受媒體采訪時表示，摩爾定律極限是14納米，但是隨著相關廠商在封裝技術與材料方面的優(yōu)勢，該極限可擴充至7納米。

半導體風云人物、臺積電創(chuàng)始人張忠謀于2014年也曾公開表示，摩爾定律正在茍延殘喘，預計還有5～6年壽命。而在2017年時，他認為摩爾定律現(xiàn)在更多反映經濟學定理，即單位晶體管的價格會每兩年減少一半，但在2025年就很難達到。

2014年國際半導體技術路線圖組織宣布，下一份路線圖將不再依照摩爾定律。張忠謀、黃仁勛等挑戰(zhàn)者更是認定摩爾定律不過是茍延殘喘。

而在此前9月21日的2022 GTC線上大會上，黃仁勛表示：“展望未來，基于摩爾定律的價格曲線已經走到了盡頭，繼續(xù)利用這種趨勢的機會已經結束，” 黃仁勛表示，“所以，如果你想以一種劃算的方法進行大規(guī)模計算，經過我們15年、差不多20年來對加速計算的不懈追求，寬泛而言，加速計算是真正的前進方向?！?/p>

IPG中國首席經濟學家柏文喜對記者表示，業(yè)內認為摩爾定律已“死”的原因是技術進步和成本下降都呈邊際遞減趨勢，認為邊際遞減效應阻礙了摩爾定律的發(fā)展。

“摩爾定律提出的前三十年，新工藝制程的研發(fā)并不困難，但隨著特征尺寸越來越接近宏觀物理和量子物理的邊界，現(xiàn)在高級工藝制程的研發(fā)越來越困難，研發(fā)成本也越來越高?！狈饺诳萍几呒壒こ處煛⒖萍疾繃铱萍紝＜抑艿蠈τ浾叻治龅?，摩爾定律發(fā)展到特征尺寸5納米的時候，繼續(xù)簡單粗暴地縮小特征尺寸會變得很困難。隨著特征尺寸縮小，芯片的成本上升很快。這也部分地打破了摩爾定律 “投資發(fā)展制程——芯片生產成本降低——用部分利潤繼續(xù)投資發(fā)展制程”的邏輯。

疊加效應

與認為摩爾定律“已死”的人一樣，認為摩爾定律還“活著”的人也大有人在。其中英特爾CEO基辛格不止一次地在公開場合重申，摩爾定律在半導體產業(yè)依然奏效。

北京時間9月28日凌晨，Intel Innovation 2022開幕活動上，基辛格再次強調：“摩爾定律活得很好。摩爾定律——至少在未來的十年里依然有效。英特爾將一往無前，挖掘元素周期表中的無限可能，持續(xù)釋放硅的神奇力量?！?/p>

柏文喜認為：“基辛格認為摩爾定律依然有效，是有依據(jù)的，因為技術進步與成本下降并非一直呈線性發(fā)展的，而是存在迭代、變軌與疊加的效應，他認為還能存在十年也是有道理的?！?/p>

而在陳佳看來，“現(xiàn)在全球芯片產業(yè)制程工藝已大幅放緩。無論是移動端還是PC端芯片都沒辦法做到每隔兩年縮短一半制程。這似乎意味著站在全球半導體行業(yè)角度，摩爾定律已經失效了，但有意思的是——全球半導體行業(yè)依然尊重并利用摩爾定律來定義新的制程工藝，哪怕根本沒有達到規(guī)定時間減半的能力。舉個例子，當前半導體行業(yè)最先進制程工藝是3納米，但實際上不僅三星與臺積電的真實制程差異極大，也都遠遠沒有達到物理意義上的3納米，這是行規(guī)，大家不點破罷了?！?/p>

上海社會科學院經濟學博士王瀅波則認為，事實上，十幾年前就有觀點認為摩爾定律已經達到極限，然而技術發(fā)展則在不斷打破極限，臺積電的先進制程已經逼近1納米，斷言摩爾定律終結為時尚早。技術發(fā)展沒有極限，即使物理上受限，仍然可以通過并行計算等其他方式實現(xiàn)計算能力的持續(xù)增長。從計算能力上而言，摩爾定律可能沒有極限，永遠不會終結，這個世界對于算力的需求是無窮無盡的。

周迪補充道：“晶體管盲目發(fā)展更小的尺寸這條路的確是不會永遠持續(xù)下去的，但這并不意味著建設更復雜、功能更強大的電子系統(tǒng)的時代即將結束。世界一定還需要更多智慧器件，數(shù)字革命只是剛剛開始，既然沒有其他的科技能夠取代半導體來做數(shù)字功能和智慧器件的基礎，那么半導體產業(yè)就有長達百年的遠景。深度摩爾、超越摩爾、新器件是目前產業(yè)的三個大方向。器件優(yōu)化重心漸漸地從性能轉移到了功耗。系統(tǒng)性能提升不再單純地依賴晶體管特征尺寸縮小，而是更多地靠電路設計以及系統(tǒng)算法優(yōu)化。人們正在一刻不停地挑戰(zhàn)并推進極限。而且必然總會有一個突破口?！?/p>