摩爾定律已死？

作者 | 金捷幡

責編 | maozz

「預測摩爾定律死亡的人每兩年翻一番」。

2018年是英特爾悲哀的一年。

就在公司50周年大慶前一個月，擠了五年牙膏的CEO柯再奇因桃色事件辭職。

外界猜測，這只是董事會找的一個小藉口幹掉他，因為本身這個戀情微不足道。

最關鍵的是，柯再奇簡直就是摩爾定律的反義詞。

在他任內，從14nm到14nm+++尷尬無比。

而摩爾定律就是英特爾的基本法。

2018年，在半導體製程技術上曾遙遙領先半個世紀的英特爾被台積電反超。

老陪襯AMD的RyZen居然在也迎頭趕上。

Nvidia的黃仁勛說，摩爾定律已經死啦。

一代巨擎Risc先驅David Patterson也說摩爾定律死了。

這幾乎等於說，英特爾存在的意義消失了。

一個科技界的指路明燈變成了一個普通的賺錢機器。

如果單看英特爾的財報，總體來說還是不錯的。

雖然在新產品上捉襟見肘，但是搭著雲計算強勁的東風，英特爾的CPU還是供不應求。

如果時光倒流到十多年前，英特爾一定後悔兩次拒絕蘋果的日子。

因為蘋果培養了它的兩大對手：三星和台積電。

在iPhone第一代發布前一年，英特爾拒絕了為賈伯斯提供手機CPU並賣掉了自己的ARM分部XScale。

蘋果選擇了三星。

2012-2013年，蘋果為了去三星化尋求iPhone 5s的A7處理器代工廠。

傳聞中的候選人英特爾卻沒有接，台積電當時也沒準備好接這麼大的單子。

又在三星忍了一年的蘋果，砸巨資投向台積電，終於實現了20nm A8的量產。

當年英特爾已經開始量產14nm，領先台積電1-1.5代。

蘋果對CPU性能的圖騰式要求倒逼了台積電的一路狂奔。

半導體先進位程需要太多資金的投入，蘋果這個大客戶的驅動終於給台積電井噴的動力，並在7nm站到巔峰。

而格芯很明顯是先進位程客戶太少，導致沒有錢繼續軍備競賽。

事後諸葛亮是沒有意義的，錯誤誰都犯過：賈伯斯當年也清倉過ARM的股票，微軟也清倉過蘋果的股票。

我們八卦了半天，還是要回到摩爾定律這個話題。

在英特爾燈塔暗淡的同時，大洋彼岸的比利時小鎮魯汶則熠熠生輝。

下圖是IMEC最新路線圖，1nm已經正式出場。

其實IMEC數年前就對此堅信不疑，而英特爾的Roadmap早就淪為平庸。

IMEC是尖端技術回歸歐洲的一個象徵。

作為ASML的鐵桿盟友並部署了最新NXE3400系列EUV的半導體研究重鎮，IMEC也是High NA EUV的原型機聯合研發合作夥伴。

因此IMEC是最有底氣說，它在真機上實現了1~3nm技術。

下圖是ASML的路線圖。

由於High NA EUV已經設計完成，所以從光刻角度認為至少未來十年摩爾定律還在掌握之中。

下圖是High NA超凈室里的巨型光學測量真空倉和巨大的EUV反射鏡機械手。

IMEC認為，超越5nm以後，電晶體Cell的模式可能是各種形狀的FET管子。

有沒有越來越像樂高積木的感覺，接下來粗淺解釋一下一些基礎知識。

首先，有人會質疑道：原子直徑才0.1nm(1 Å)，怎麼可能把這麼複雜的電晶體做到1nm。

確實如此。

目前所謂製程技術或技術節點多少nm，並不是電晶體做到這麼小了。

早期電晶體的縮小都是類似二維的，為了達到摩爾定律，長寬各縮小到0.7倍則面積縮小近一半(0.7x0.7=0.5)。

傳統ITRS定義技術節點是最小金屬間距(MMP，即下圖藍色那根)的一半。

但到了20/22nm引入FinFET以後，MMP的減少開始變得很慢，但是因為3D化後電晶體數量仍舊激增，廠商再用1/2MMP就顯示不出來技術進步了。

因此各家的命名就開始亂了起來：

• 20nm x0.7=14nm，所以新一代叫14nm；

• 14nm x0.7=9.8nm, 所以再新一代叫10nm；

• 10nm x0.7=7nm, 所以下一代叫7nm；

• 7nm x0.7=4.9nm, 所以再下一代叫5nm。
  
  

（請注意，上面這些0.7並未真正物理出現，只是假想如果二維縮小0.7而已。

實際上看下圖台積電10nm到7nm，MMP距離只是從42/44nm降到40nm）

從上圖看，英特爾的10nm和台積電的7nm平面基礎尺寸是近似的。

為了對比技術差距，單位面積的電晶體數成為一個好方法。

據分析數據，兩者每平方毫米都是一億個電晶體左右。

但台積電早已量產（麒麟980/990，A12/A13，AMD Ryzen 3000等），但英特爾多年還是搞不定良率問題。

有專家猜測，英特爾10nm碰到的問題可能和它家激進地把導體從銅全面轉到鈷有關，而台積電和三星仍然用銅或鍍鈷。

銅是很好的導體，但有個很討厭的特性，就是在納米尺度電阻會激增。

下圖是很漂亮的示意圖，圖中銅顏色那個就是銅。

實際的晶片里這些金屬層可以有12層之多，把最底下的電晶體互聯起來形成電路。

這就是最微觀層面搭建的宏偉大廈。

想想看，這是在芝麻大的空間裡，上億個電晶體上面複雜搭建了上億根銅筋的混凝土建築。

金屬釕是替代銅的另一個選擇。

而在電晶體材料上，矽鍺合金和擁有更佳電性能的銦、鎵和砷化物也在被深度考慮或已應用。

下圖很好地展示了在半導體發展歷程中，人類絞盡腦汁使用了元素周期表上的各種可能，這還不包括各種化合物。

看到這種精神，你認為讓科技精英們直接放棄摩爾定律，會那麼容易嗎？

5nm製程基本上還是會用已經成熟的FinFET架構，FinFET比平面Planar更大的電流和更快的開關速度足夠支撐到5nm。

只是光刻必須要用到EUV，否則掩模的層數要多到失控了。

目前各家的3nm方案都是更加立體的FET，nanosheet和nanowire等統稱為GAA(Gate all around)。

「到處都是閘門」，這個名字顯示了這些小樂高電晶體的詭異模樣。

它們還包括了碳納米管等各種複雜的材料。

IMEC目前篤信CFET將是打開1nm大門的鑰匙，到那時各廠市場部宣傳的單位將是埃米而不是納米。

雖然這些技術都在實驗室實現了，但是距離量產還有數不清的險阻。

但最大的障礙是：錢。

目前開發一款7nm晶片的成本是3億美元，5nm預測是5億美元，而3nm很可能到10億美元。

究竟未來能有幾家公司需要做這種晶片呢？

這時，可怕的摩爾第二定律也閃現了威力：「新晶圓廠的成本每兩年翻一番」。

目前新7nm工廠是150億美元，那麼5nm工廠將需要投資300億美元，3nm則理論上是600億美元。

正是因為各種不確定性或各種悲觀，否定摩爾定律的聲音越來越多。

確實，對於目前矽架構存在量子隧穿效應極限。

不過，可行的方法不僅只有繼續縮小電晶體的尺寸，還包括做多層電晶體的方案和疊加晶圓的方案等。

英特爾也在試圖改進處理器架構的方法來實現另類摩爾定律，因為我們的最終目的是為了實現單位晶片面積計算力的每年提高。

早期CPU性能是靠提高主頻實現的，但後來英特爾的Core架構和AMD的Zen架構都成功實現了主頻不變算力的突破，所以這個思路一定還有突破空間。

從目前情況看，至少未來十年人類還有充足的技術手段繼續倍增晶片性能。

再往後，也許量子計算真的會到來？

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