摩爾定律58周年：世上再無戈登·摩爾
加入技術交流群
編輯 | 漠影
芯東西4月19日報道，58年的今天，戈登·摩爾提出“摩爾定律”，當時集成電路才誕生6年。就連摩爾本人也沒想到，從那以后，“摩爾定律”成為半導體產業圣經般的存在，一直指導微芯片的演進，載著信息時代飛速前行，讓曾經只是幻想的各種便攜消費電子產品走進千家萬戶。摩爾的工作造就了硅谷，催生了個人電腦（PC）以及蘋果、谷歌、微軟等巨頭的出現，推動了世界范圍內的重大技術進步。從笨重的臺式計算機，到輕薄的筆記本電腦，再到更輕便的平板電腦、智能手機、智能手表，這一切進步都緊隨著摩爾定律的步調。摩爾留下的無形財產，改變了全球數十億人的生活。而這一切的定調者戈登·摩爾，于今年3月24日在夏威夷的家中與世長辭，享年94歲。
▲摩爾定律的提出者戈登·摩爾（圖源：英特爾）
1960年代，當摩爾開始涉足電子領域時，單個硅晶體管的售價為150美元。后來，10美元可以購買超過1億個晶體管。摩爾曾寫道，如果汽車的發展速度與計算機一樣快，“每加侖汽油可以行駛100,000英里，而且購買勞斯萊斯汽車比停放它更便宜。”今天，一顆芯片已經能塞下多達數千億個晶體管，為需要龐大數據和計算量的人工智能系統提供算力支撐。英特爾以及眾多芯片制造商們，還在繼續努力答好這位硅谷先驅留下的考卷：進入后摩爾時代，“摩爾定律”還能續寫多久？無論這個問題的答案如何，歷史已經證明，誰能率先將更小、更精密、更強大的新一代芯片推向市場，誰就能夠獲得巨大的經濟回報，并贏得下一場計算革命的話語權。
▲2005年，摩爾手持硅晶圓
01.改變世界的一則預言
▲摩爾定律論文的原始草稿（圖源：芯片歷史中心半導體虛擬博物館）
這被稱為“摩爾定律”的術語，并非科學意義上經過驗證的理論，而是一個戈登·摩爾根據觀察到的數據總結出來的預言。按此規律演進，芯片的功能和性能得以一路提升，同時成本一路下降。在論文中，他預見了這些更加強大的芯片的潛在應用，“集成電路將會催生家用電腦、汽車自動控制和個人便攜式通信設備等奇跡”。
▲摩爾的論文中包含這幅漫畫，預測計算機將與其他消費品一起銷售的時間
事實證明，摩爾精準預見了十年后的未來。根據他的預測，到1975年，最先進的微芯片應該能夠容納多達65000個晶體管。當年發布的一個新的內存芯片系列的實際晶體管數量是65536個。為了更好反映晶體管密度的實際增長，摩爾定律被修正為：芯片中集成的晶體管數量，大約每兩年翻一番。不久之后，芯片與軟件的迅猛發展將世界推進波瀾壯闊的信息時代。
▲《在集成電路上容納更多組件》論文中配圖
戈登·摩爾參與創辦的英特爾也迅速崛起，從被日企按地摩擦的美國存儲芯片廠商之一成功轉型成為全球最大的微處理器與芯片制造巨頭。盡管時過境遷，再有遠見的預言終究迎來了落伍的一天，摩爾定律不可避免地會因硅材料物理限制而走向終結，曾經高舉“破壞性創新”戰旗的英特爾也深陷大象轉身難的窘境，但無論信息時代如何風云變幻硝煙四起，無論一個個新靈感如何對世界進行摧枯拉朽的破壞與重塑，許多半導體產業上下游公司仍是摩爾定律的忠實信徒，他們正努力探索更多的途徑，通過更新摩爾定律的定義，讓它繼續扮演引領科技發展的燈塔。英特爾現任CEO基辛格在戈登·摩爾的悼詞中表達了對摩爾定律的執著追求：“在英特爾，我們仍然受到摩爾定律的啟發，并將一直追求摩爾定律，直到元素周期表用盡。”02.摩爾定律的誕生，黃金三角的聚首英特爾鼎盛時代的序幕
▲硅谷“八叛徒”合影
很快，仙童半導體聲名鵲起，成立不到半年就躍居第二大半導體巨頭，地位僅次于另一家美國老牌半導體巨頭德州儀器。仙童半導體也成為孕育硅谷半導體人才的沃土。1969年，在森納瓦舉行過一次半導體產業頭面人物的會議，有人專門做了統計，與會的400人中，只有24人沒在仙童公司干過。到1984年，從仙童直接或間接分出的公司已經超過70家。在仙童期間，“八叛徒”的領袖人物羅伯特·諾伊斯發明了第一個單片集成電路，戈登·摩爾提出了摩爾定律的偉大預言，從加州大學伯克利分校博士畢業的安迪·格魯夫成為摩爾的得力助手。那是半導體產業的拓荒時期，技術的快速革新催生出洶涌的創業機會。“八叛徒”成員再次陸續叛逃，最后諾伊斯和摩爾也決議出走，帶著格魯夫一起，于1968年7月18日共同創立了英特爾。一個新的硅谷傳奇就此拉開序幕。諾伊斯、摩爾和格魯夫，這三位單拎出來都極其耀眼、足以青史留名的人物，構成了業界罕見的黃金三角。
▲諾伊斯（圖左）、格魯夫（圖中）、摩爾（圖右）合影
三人的組合如此完美互補：諾伊斯生性灑脫，豁達正直，兼具成就與威望，僅用5分鐘就籌集到了250萬美元的創業資金，奠定了英特爾的開局；摩爾性情沉著謙和，為英特爾提供了穿越周期的核心力量；格魯夫性格強硬偏執，展現出超群的經商謀略與管理智慧，領導英特爾在復雜多變的競爭環境中渡過危局并成功登頂。70年代末期，諾伊斯開始游離于英特爾的日常經營之外，公司交由摩爾和格魯夫打理。摩爾從1975年到1987年期間擔任英特爾CEO，并一直擔任英特爾董事長到1997年，其CEO職位由日后被稱作硅谷傳奇管理者的格魯夫接任。英特爾起初專注于半導體存儲器，結果被正值盛世的日本存儲芯片巨頭打得節節敗退，幾乎沒有生存空間。摩爾與格魯夫毅然決定，放棄存儲器市場，轉型做微處理器，從此一舉奠定了英特爾30年的世界半導體霸主地位。1992年，英特爾成為全球最大的半導體公司，銷售額達58億美元，利潤首次突破10億美元。1995年，英特爾累計生產了1.6億顆芯片，其微處理器已經進入全球80%的計算機中。到1997年，英特爾的銷售額已經高達250億美元，市值達1147億美元，格魯夫成為美國《時代》周刊年度人物。此后英特爾在先進制造技術領域長期領先于競爭對手。2011年，英特爾對晶體管設計進行了徹底的改變，2012年量產世界上第一個22nm 3D三柵極硅晶體管。與英特爾于1971年推出的首款微處理器4004相比，22nm處理器的運行速度提高了4000倍以上，每個晶體管的能耗降低到原來的1/5000左右、價格下降到原來的約1/50000。
▲1970年~2010年英特爾芯片及制程演進
直到2014年，同為摩爾定律堅定信奉者的兩家亞洲晶圓代工巨頭，開始向英特爾的“領導地位”發起猛烈的沖擊。03.摩爾定律“生死論”英特爾的失落與雄心
▲2015年~2020年制程升級放緩
但到2010年代中后期，圍繞“摩爾定律將死”的預測開始沸沸揚揚。物理尺寸微縮日漸瀕臨物理極限，工藝節點迭代在密度、性能和功耗方面的優化效果不再顯著，升級到更先進制程的芯片設計和生產成本卻急劇上升。業界意識到必須引入其他領域的創新，才能進一步續命摩爾定律。
▲隨著制程升級，250mm Die成本迅速提升
而摩爾定律的“嫡系”踐行者英特爾，一邊竭力捍衛著摩爾定律的可行性，另一邊卻在急劇加速的數字化進程中亂了自己的陣腳，將最先進制程領導者的殊榮拱手相讓。2014年，英特爾開始量產14nm FinFET，此時臺積電和三星還在20nm徘徊。此時僅從字面上的納米數字就能看出英特爾的領先地位。
▲半導體代工廠制程路線圖（來源：Anysilicon）
然而兩年足以令產業驟變。2016年，臺積電和三星的10nm先后投入量產，英特爾卻仍在14nm裹足不前，開始量產第二代14nm+。等2018年臺積電和三星挺進7nm賽點，英特爾的10nm才姍姍來遲。英特爾10nm制程“難產”，早在2013年就初見端倪。一開始有傳聞說英特爾將在2015年用10nm技術生產CPU，后來又說推遲到2016年、2017年，繼而將大規模量產時間推到2020年。不過，單從納米數字來比較，對英特爾多少是不公平的。因為臺積電和三星都在制程節點的命名上玩了點文字游戲。同樣叫10nm，臺積電的晶體管密度為4810萬個/mm2，三星的是每平方毫米5160萬個/mm2，而英特爾的10nm晶體管密度達到了1.008億個/mm2，接近三星的7nm晶體管密度（1.0123億個/mm2）。因此英特爾在2017年下半年還公開宣稱“在制程工藝上保持著大約三年的領先性”，并不是說大話。
▲英特爾、臺積電、三星10nm技術密度對比
但隨著7nm開始量產落地，無論從技術領先性還是銷售額來看，全球芯片制造行業的主導權已經一步一步移交到臺積電的手中。從2018年下半年開始，臺積電7nm已經全面量產，相應收入也快速攀升，被蘋果A12、華為麒麟980、高通驍龍855等當時最先進的旗艦智能手機芯片采用，而三星的7nm遲遲未見商用。趁著這個時間窗口，臺積電很快在7nm以及隨后2020年開打的5nm制程商用之戰中取得壓倒性的勝利。三星則一路快馬加鞭，在2022年6月成功拔得3nm量產的頭籌，臺積電3nm也于同年下半年量產。兩家的2nm都將在2025年量產。根據全年財報，臺積電2022財年營收達759億美元，凈利潤341億美元；英特爾2022財年營收下滑至631億美元，凈利潤從往年的200億美元左右跌至80億美元。
▲英特爾2018財年~2022財年凈利潤變化
但眼下還不是氣餒的時候。近三年，英特爾正加快追趕的腳步，2021年宣布IDM 2.0戰略，推出英特爾代工服務，并公布全新的制程節點命名，計劃4年更迭5個節點，到2025年重奪制程技術的領先地位。目前英特爾已完成其前兩代埃米節點Intel 20A和Intel 18A工藝的開發，計劃到2024年量產。按照英特爾的預言，摩爾定律仍將延續，到2030年，半導體行業將邁入“萬億時代”：全球半導體市場的規模將達到一萬億美元，單個封裝內將能夠集成一萬億個晶體管，同時AI大模型萬億級的參數規模也帶來了前所未有的市場需求。
▲英特爾從90nm到Intel 18A節點所采用的一系列前沿技術
此時此刻，其實摩爾定律是否失效這個問題，答案早已不那么重要。隨著擴展單個芯片的能力放緩，業界已經將視線轉向系統級創新，將摩爾定律的定義從晶體管密度的提升轉換成了芯片整體性能的提升。新器件、新材料、新存儲、新架構、2.5D/3D先進封裝、軟件系統、high-NA EUV光刻等多方技術創新的組合升級將扮演越來越重要的角色。續命摩爾定律變得更具挑戰性，但技術創新永不枯竭。嚴格意義上摩爾定律的失效無可避免，但只要芯片從業者們繼續積極探尋突破計算瓶頸的新途徑，芯片性能的提升遠未達到盡頭。04.結語：傳奇人物謝幕，創新精神永存
*博客內容為網友個人發布，僅代表博主個人觀點，如有侵權請聯系工作人員刪除。
