摩爾定律將死,晶片行業將掀起新一輪革命,誰將成為新時代領航者
文章推薦指數: 80 %
在如今的的資訊時代,雖然我們無法看見,可是我們的生活已經無法離開晶片所產生的驅動力了。
無論是炎炎夏日幫助我們清涼一夏的空調、還是我現在正用在打字的電腦、抑或是你正在瀏覽新聞的手機,都離不開晶片,如今隨著 5G 時代的到來,晶片是當代許多新興產業的基石,比如人工智慧、虛擬現實VR、大數據、物聯網、可穿戴設備等等。
而美國之所以維持著經濟霸主的地位,有很大程度則是來源於晶片的壟斷,比如在 AD 轉換晶片、CPLD/FPGA(複雜可編程邏輯器件與複雜可編程邏輯陣列)以及射頻晶片領域。
除此之外,還有晶片設計工具EDA(電子設計自動化)。
在集成電路發展的早期,人工即可完成集成電路設計。
但隨著科技的發展,要完成單位平方毫米內上億個門級電路的晶片的設計,則必須通過EDA輔助工具進行晶片設計。
目前國際上主要有三大集成電路EDA公司,分別是Synopsys,Cadence,Mentor Graphics。
三家在EDA行業的市占率幾乎形成壟斷,且均為美國公司。
所以說美國在晶片領域的霸主地位鞏固了其全球經濟領導者的地位,而美國 50 年來的半導體( 晶片就是半導體元件產品的統稱)行業的發展,則離不開摩爾定律的指引。
1958 年,來自德州儀器(不是山東德州哈)的傑克·基爾靈光一閃,能否利用單獨一片矽做出完整的電路,如此可把電路縮到極小。
當時基爾比的想法遭到了所有同樣的笑話。
幸好,德州儀器的老闆覺得基爾比的想法好像有實踐價值,就支持他的想法。
要知道在之前的電路還是分立元件構成,也就是在PCB(印刷電路板)把三極體、二極體焊接起來構成晶片,而基爾比卻嘗試在鍺半導體晶片上生成了三極體等多個元件,並在元件之間用細金屬連線連接,從而形成了集成電路。
之前由分立元件構成的2500px²印刷電路板,在集成電路上只需要1mm²的晶片就可以實現相同的功能。
我們所說的集成電路指的是採用特定的製造工藝,把一個電路中所需的電晶體、電阻、電容和電感等元件及元件間的連線,集成製作在一小塊矽基半導體晶片上並封裝在一個腔殼內,成為具有所需功能的微型器件。
集成電路取代了電晶體,為開發電子產品的各種功能鋪平了道路,並且大幅度降低了成本,第三代電子器件從此登上舞台。
它的誕生,使微處理器的出現成為了可能,也使計算機變成普通人可以親近的日常工具。
可以說集成電路的誕生掀開了二十世紀信息革命的序幕。
1961年仙童半導體公司推出了平面型集成電路。
這種平面型製造工藝是在研磨得很平的矽片上,採用一種所謂「光刻」技術來形成半導體電路的元器件,如二極體、三極體、電阻和電容等。
只要「光刻」的精度不斷提高,元器件的密度也會相應提高,從而具有極大的發展潛力。
因此平面工藝被認為是「整個半導體的工業鍵」,也是摩爾定律問世的技術基礎。
仙童半導體公司堪稱電子、電腦業界的「西點軍校」,AMD、英特爾等半導體領域大企業的創始人都是來自仙童。
1965年4月19日,《電子學》雜誌第114頁發表了摩爾撰寫的文章《讓集成電路填滿更多的組件》,正式宣告了摩爾定律的誕生。
摩爾定律的定義歸納起來,主要有以下三種版本:
1、集成電路晶片上所集成的電路的數目,每隔18個月就翻一倍。
2、微處理器的性能每隔18個月提高一倍,或價格下降一半。
3、用一個美元所能買到的計算機性能,每隔18個月翻兩倍。
摩爾發現的摩爾定律並不是不基於任何特定的科學或工程理論,只是對真實情況的影射總結。
但是矽晶片行業注意到了這個定律,也沒有簡單把它當作一個描述的、預言性質的觀察,而是作為一個說明性的,重要的規則,整個行業努力的目標。
人們還發現這不光適用於對存儲器晶片的描述,也精確地說明了處理機能力和磁碟驅動器存儲容量的發展。
摩爾定律的意思就是隨著電晶體特徵尺寸接近絕對極限,我們可以利用越來越小的晶片實現越來越多的功能。
處理器速度變得越來越快,我們可以在單片IC上放入更多特性和更多存儲器。
到了1974年,IBM工程師羅伯特·登納德對摩爾定律進行了補充:縮小晶片元件的尺寸能夠使晶片的速度更快、功耗更低、價格更便宜。
換句話說:元件更小的晶片性能更好。
所以摩爾定律概括起來就是:半導體電路的電晶體的數量每18-24個月翻一倍。
而電晶體的尺寸對計算機技術的提高來說非常重要。
電晶體越小,單個晶片上可容納的電晶體數量就越多;晶片上的電晶體數量越多,處理器的速度越快、效率越高。
同樣價格的電子產品性能,時隔18-24個月後就會翻倍。
而到了1975年,在一種新出現的電荷前荷器件存儲器晶片中,的確含有將近65000個元件,與1965年摩爾的預言一致,由此,摩爾定律被半導體行業當做了金科玉律,成為了資訊時代的驅動力。
它變成了簡單評估半導體技術進展的經驗法則,其重要的意義在於長期而言,IC製程技術是以一直線的方式向前推展,使得IC產品能持續降低成本,提升性能,增加功能。
登納德對摩爾定律的補充也是半導體行業這幾十年一直努力從4004 晶片的 10 微米工藝生產 在邁向5nm、3nm或甚至2nm半導體製程技術之路,甚至美國勞倫斯•伯克利國家實驗室(LawrenceBerkeley National Laboratory)的一個研究團隊—已經成功研製出柵極(電晶體內的電流由柵極控制)僅長1納米的電晶體,號稱是有史以來最小的電晶體。
當然,1納米只是實驗室狀態,3納米如何投入商用對於半導體行業而言都依然存在著一定的困難,比如玻爾茲曼暴政是一個無法迴避的難題,按照該理論,越多的電晶體安裝在晶片上,就會產生巨大的熱量,超過一定界限,電晶體運行所產生的熱量就會直接燒毀晶片,而且漏電流也是一個大問題。
半導體行業一直在根據摩爾定律描繪的藍圖前行, 在26年的時間裡,晶片上的電晶體數量增加了3200多倍,從1971年推出的第一款4004的2300個增加到奔騰II處理器的750萬個,從摩爾定律推算,從1971年到2016年,按照摩爾定律推算半導體行業發展大概經歷了22個周期。
而根據摩爾定律,谷歌前CEO提出了反摩爾定律: 一個IT公司如果今天和18個月前賣掉同樣多的、同樣的產品,它的營業額就要降一半。
這並不是對摩爾定律的反對,其實這兩種定律可以說是針對同一種現象的不同說法。
而在反摩爾定律的魔咒下,它逼著所有的硬體設備公司必須趕上摩爾定律所規定的更新速度,而所有的硬體和設備生產廠活得都是非常辛苦的。
曾經引領風騷的太陽公司就是受反摩爾定律影響的著名例子,其由於無法跟上整個行業的速度,被IT生態鏈上游的軟體公司 甲骨文 併購了。
但是這也促成科技領域質的高速進步,讓更多革命性的創造發明誕生,並為新興公司提供生存和發展的可能。
正是有了摩爾定律和反摩爾定律,我們今天才能把智慧型手機才可以如此迷你、高效、便捷、智能,今天智慧型手機的性能比 1965-1995
年裡最大的電腦還要強勁。
沒有摩爾定律就沒有超薄筆記本電腦,也不可能產生足以繪製整個基因組、或是設計複雜藥物的高性能計算機。
流媒體視頻、社交媒體、搜索功能、雲——沒有摩爾定律,這些都不可能產生(或者說不可能這麼快產生可能更加準確)。
但是這幾十年來晶片製造商一直都在與摩爾定律苦苦鬥爭——不能做出更小的電晶體,生存就面臨威脅。
而隨著半導體行業的不斷發展,半導體行業也陷入了瓶頸。
「摩爾定律」將死的呼聲不斷出現,因為研究和實驗室的成本需求十分高昂,而有財力投資在創建和維護晶片工廠的企業很少。
而且製程也越來越接近半導體的物理極限,將會難以再縮小下去。
簡單來說就是工藝難度太大,成本投入太高。
在今年,英偉達 CEO 黃仁勛在 CES 上再次強調「摩爾定律已經結束」一說,在過去幾年裡,他在多個場合都提出了這個觀點:
摩爾定律過去是每 5 年增長 10 倍,每 10 年增長 100 倍。
而如今,摩爾定律每年只能增長几個百分點,每 10 年可能只有 2 倍。
因此,摩爾定律結束了。
在他看來,信息技術對中央處理器(CPU)的依賴已轉向於圖形處理器(GPU)。
要推動應用程式運行提速不可只依賴於晶片,而是需要重新設計整個堆棧、算法、軟體和處理器。
如果「摩爾定律」將死,而新的法則沒有出現,半導體行業的發展放緩將影響整個科技行業推進。
華為任正非也提到了摩爾定律已經逼近極限:
隨著逐步逼近香農定理、摩爾定律的極限,而世介面對大信息流量、低時延的理論還未創造出來,華為已感到前途茫茫,找不到方向。
華為已前進在迷航中。
重大創新是無人區的生存法則,沒有理論突破,沒有技術突破,沒有大量的技術積累,是不可能產生爆發性創新的。
事實上,晶片業界已經接受了電晶體尺寸接近下限的現實,並已經為摩爾定律的終結做了準備。
今年早些時候,美國半導體工業協會(Semiconductor Industry Association)——成員包括英特爾、AMD和Global Foundries——發表了一份報告。
這份報告宣稱,到2021年,矽電晶體尺寸的縮小將不再是一件經濟可行的事情。
取而代之的是,晶片將以另一種方式發生變化。
尤其隨著物聯網時代的到來,對於晶片的性能又會提出更高的要求,「摩爾定律」將死,而誰能夠提出新的法則,勢必將引領晶片行業新一輪的變革。
而這其中最重要的意義就是,可以成為下一個半導體時代的規則制定者,這 50 年來,半導體行業的發展都是在美國制定的標準框架之中,標準的引領也將讓他對整個半導體行業擁有絕對話語權、甚至從而影響全球經濟。
即使並非美國企業,用了美國的專利技術標準,一樣要受制美國,比如 ARM。
如今變局以來,這將會是一個漫長的過程,需要驚人的毅力創新性的人才以及大力投入基礎教育基礎研究,而誰能把握住時代的風口,讓我們拭目以待!
有關處理器架構、工藝的必讀文章
剛入手了SONY Xperia Z5 Premium,其CPU採用了爭(fa)議(re)較大的驍龍(Snapdragon )810,那就藉此機會談談關於桌面CPU和移動CPU的一些東西吧。從小就...
硬體也能理財時代:「摩爾定律」是如何失效的?
任何一位PC遊戲玩家都不會避諱對兩個微胖男性的愛。一是PC玩家衣食父母的STEAM締造者G胖,二是顯卡界「兩彈元勛」黃仁勛。後者近日大放厥詞「摩爾定律已經失效」。這下業界炸裂……莫非我們今後不用...
7nm產品終亮相 未來的晶片行業加劇強者恆強
不久前,AMD在北京發布了全球第一款7納米製程的CPU和GPU,引得廣泛關注。7nm被譽為半導體工藝的一個里程碑節點,隨著摩爾定律走向物理極限,這個節點既暗藏著巨大的商機,同時也將給半導體廠商帶...
盤點張忠謀心中的十大半導體產業重要創新
來源:微信公眾號 半導體那些事兒(ID:IC-008)「 第一時間了解國內外半導體、IC、電子行業動態,原廠動態、市場行情、行業機會、政策方向等資訊不容錯過。 」
60年前,世界上第一塊集成電路誕生|半導體行業觀察
來源:內容由 微信公眾號 半導體行業觀察 (ID:icbank) 綜合自「控制計算」,謝謝。導言 1958年9月12日,基爾比和助手謝潑德(MShepherd)給阿德考克和組裡的其他同事演示了他...
詳細解讀7nm製程,看半導體巨頭如何拼了老命為摩爾定律延壽
談起半導體技術的發展,總是迴避不了「摩爾定律」這四個字——當價格不變時,集成電路上可容納的元器件的數目,約每隔18~24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。晶片的製造工藝常常用XXnm來表示,比...
電晶體:以類似水龍頭控制水流的方式控制電流
電晶體全稱雙極型三極體(Bipolar junction transistor,BJT)又稱晶體三極體,簡稱三極體,是一種固體半導體器件,可用於檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調製等。電晶體作...
半導體產業的中年危機,中國的轉機
編者按:自從Intel的聯合創始人戈登摩爾在上世紀六十年代發布「摩爾定律」以來,半導體產業界在這個規則指導下迅猛發展,人類社會也在技術的進步中受益不淺。不過近年來隨著集成電路的發展,工藝、設備和...
「淼哥網際網路-660期」摩爾定律
「摩爾定律」一般出現在半導體技術領域,當價格不變時,集成電路上可容納的元器件的數目,約每隔18~24個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。晶片的製造工藝常常用XXnm來表示,比如Intel最新的六...
深度 摩爾定律走向黃昏 計算領域出路何在?
50年來,摩爾定律一直引領信息技術向前發展。不過今年2月,全球半導體行業協會宣布,今後發布的行業研究規劃藍圖中將不再以摩爾定律為核心,而將採用新的「超越摩爾」(More than Moore)藍...
CPU的摩爾定律是不是因為10納米的限制已經失效了?10納米之後怎麼辦?摩爾軼事
【今年剛過去的4月19日是摩爾定律50周年,展望未來的50年,這個話題的討論也變得更有意義】【多圖預警】【黑科技出沒】
集成電路發展歷程及未來展望
01歷史追溯——開啟電子世界的大門集成電路對一般人來說也許會有陌生感,但其實我們和它打交道的機會很多。計算機、電視機、手機、網站、取款機等等,數不勝數。除此之外在航空航天、星際飛行、醫療衛生、交...