摩爾定律何去何從之一:摩爾定律從哪裡來?摩爾定律到極限了嗎?

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50年前,Gordon Moore提出了集成電路特徵尺寸隨時間按照指數規律縮小的法則,被稱為「摩爾定律」。

在50年間,半導體行業蓬勃發展,人類社會飛速進入資訊時代,同時在半導體工業界也誕生了一大批巨無霸企業,比如Intel和Qualcomm等等。

近來,隨著半導體製程特徵尺寸縮小越來越困難,摩爾定律是否已經到達極限成為半導體業界乃至整個社會所關注的問題。

我們打算在接下來的幾篇文章里探討摩爾定律的源頭,現狀以及未來。

誰在推動摩爾定律?

從1958年Jack Kilby發明的第一個只包含一個雙極性電晶體、三個電阻和一個電容的集成電路到現如今動輒十億個電晶體的處理器晶片,短短五十幾年的時間集成電路產業以歷史上前所未有的節奏飛速發展。

2014年,半導體生產商共生產製造了250 quintillion(十億個十億,十的18次方)個電晶體,也就是說去年一年中,平均每秒生產出8 trillion(萬億)個電晶體。

更重要的是作為目前人類最尖端的科技成果之一,各種各樣的集成電路不停地升級降價、再升級再降價從而以相對低廉的價格讓這項成果為普羅大眾所共同享有。

這一產業著名的經驗法則摩爾定律也因此為大家所熟知。

曾聽過一個不恰當的比方:如果汽車工業也是按照半導體產業的玩法,不妨想像一下您可以用多麼低廉的價格購買到性能神到飛起的汽車。

摩爾定律以平均每年46%的「成長」速率往前推進,而洲際旅行的速度從1900年大型遠洋輪船的35公里每小時左右,上升至1958年波音707的885公里每小時,平均漲幅為每年5.6%。

但在之後很長一段時間裡巡航速度基本上保持不變,波音787隻比707快了幾個百分點。

從1973年到2014年,美國新乘用車(即使在排除SUV和皮卡之後)的燃料轉換效率每年僅提升2.5%,從13.5升到37英里每加侖(即油耗從17.4升每百公里降到6.4升每百公里)。

摩爾定律背後的邏輯是:半導體行業需要以一個合適的速度增長以實現利潤的最大化。

上世紀60年代,摩爾發現半導體電晶體製程發展的速度對於一個半導體廠商至關重要。

隨著製程的進化,同樣的晶片的製造成本會更低,因為單位面積電晶體數量提升導致相同的晶片所需要的面積縮小。

所以製程發展速度如果過慢,則意味著晶片製作成本居高不下,導致利潤無法擴大。

另一方面,如果孤注一擲把所有的資本都用來發展新製程,則風險太大,一旦研發失敗公司就完蛋了。

摩爾發現當時市場上成功的半導體廠商的製程進化速度大約是每年半導體晶片上集成的電晶體數量翻倍,於是寫了著名的論文告訴大家這個發展速度是成本與風險之間一個良好的折中,半導體業以後發展可以按照這個速度來。

摩爾定律背後的終極推動力其實是經濟因素。

時至今日,摩爾定律「投資發展製程-晶片生產成本降低-用部分利潤繼續投資發展製程」的邏輯對於半導體巨頭依然有效。

Intel的執行副總Bill Holt在ISSCC 2016的主題演講中比較了兩種情況下的處理器晶片生產成本,一種是十年內每年都利用部分利潤根據摩爾定律的速度發展新製程(下圖左),另一種是在十年內一直使用相同的舊製程(下圖右)。

比較的結果是,十年內按照摩爾定律發展新製程所生產的晶片成本與一直使用舊製程生產的晶片成本相比低了六成。

所以說推動摩爾定律的是經濟學。

晶片成本對比:製程進化(左)或不進化(右)

摩爾定律由經濟因素驅動,有意思的是由於電晶體的性能也會隨著特徵尺寸縮小而改善,所以隨著半導體工藝製程的進化晶片的性能也以指數的速度增長,從而帶動電子產品性能大躍進式發展,電子市場一片生機勃勃。

昨天給家裡買電腦選什麼奔騰賽揚的感覺還在眼前,今天新買到的手機上就已經是4核8核傻傻分不清楚了,這是多美好的時代啊!然而,在討論摩爾定律時我們不僅要看到它帶來的技術革新,更要記住它的經濟學本質。

時至今日,摩爾定律已經不僅僅是一個經驗規律,而是成為半導體行業的發展藍圖,或者說是半導體晶片市場商業模型(business model)的重要組成部分。

顯然,製程進化速度的最優值顯然是會隨著市場和技術條件而改變的(比如如果有外星人免費提供黑科技那麼特徵尺寸瞬間變成原來的1/10也沒問題),而摩爾在五十年前觀察到的「每兩年特徵尺寸減半」的經驗性最優值也並非物理定律不可能永遠有效。

換句話說,摩爾定律需要有人來不停地維護和修正。

那麼維護摩爾定律的人有時誰呢?這個維護的人就是ITRS,全稱International Templar Research Society中文是國際聖殿騎士研究協會,該協會會在刺客信條最新作中登場… 開個玩笑,ITRS全稱是International Technology Roadmap for Semiconductor,是由半導體行業自發組織來討論合適的製程發展速度。

各大半導體製造廠商(比如Intel,TSMC,Samsung等)的核心技術是保密的,但是發展的規劃是經由ITRS討論後決定的,而且該規劃是公開在ITRS網站(International Technology Roadmap for Semiconductors)上的。

這樣做可以更好地指導整個半導體工業界健康地發展。

ITRS網站 International Technology Roadmap for Semiconductors

在摩爾定律提出至今,製程進化的速度已經被修正了兩次。

最早摩爾1965年在Electronics Magazine上提出的速度是每年電晶體數量翻倍,到了1975年摩爾本人在IEDM(國際電子器件大會)上修正為每兩年電晶體數量翻倍。

之後每兩年翻倍的發展速度維持到大約2013年,之後ITRS將未來藍圖修正為每三年電晶體數量翻倍。

摩爾定律到極限了嗎?

在摩爾定律提出的前三十年,新工藝製程的研發並不困難,但隨著特徵尺寸越來越接近宏觀物理和量子物理的邊界,現在高級工藝製程的研發越來越困難,研發成本也越來越高。

如果工藝製程繼續按照摩爾定律所說的以指數級的速度縮小特徵尺寸,會遇到兩個阻礙,首先是經濟學的阻礙,其次是物理學的阻礙。

經濟學的阻礙是,隨著特徵尺寸縮小,晶片的成本上升很快。

晶片的成本包括NRE成本(Non-Recurring Engineering,指晶片設計和掩膜製作成本,對於一塊晶片而言這些成本是一次性的)和製造成本(即每塊晶片製造的成本)。

在先進工藝製程,由於工藝的複雜性,NRE成本非常高。

例如FinFET工藝往往需要使用double patterning技術,而且金屬層數可達15層之多,導致掩膜製作非常昂貴。

另外,複雜工藝的設計規則也非常複雜,工程師需要許多時間去學習,這也增加了NRE成本。

對於由先進位程製造的晶片,每塊晶片的毛利率較使用落後製程製造的晶片要高,但是高昂的NRE成本意味著由先進位程製作的晶片需要更多的銷量才能實現真正盈利(如下圖所示)。

這使得晶片設計和製造所需要的資本越來越高,而無力負擔先進工藝製程的中小廠商則不得不繼續使用較舊的工藝。

這也部分地打破了摩爾定律 「投資發展製程-晶片生產成本降低-用部分利潤繼續投資發展製程」的邏輯。

新舊工藝的毛利潤-銷量關係圖。

新一代工藝的單位銷量毛利潤和NRE成本(NRE2)都較上一代工藝要高,且新一代工藝的收支相抵所需要的銷量(BE2)也比上一代工藝(BE1)要高

至於物理學的障礙主要來源於量子效應和光刻精度。

當特徵尺寸縮小到10nm的時候,柵氧化層的厚度僅僅只有十個原子那麼厚,在那個時候會產生諸多量子效應,導致電晶體的特性難以控制。

例如量子隧穿效應會非常嚴重,導致電晶體漏電非常嚴重。

電晶體的漏電是一個非常嚴重的問題:移動電子產品在很多時間裡會處於待機的狀態,而待機功耗是由漏電決定的。

漏電高則會造成電池更快耗盡。

另一個限制是光刻精度。

光刻精度主要由光的波長決定。

為了得到更好的光刻精度,我們可以用波長較小的紫外光以及對紫外光敏感的光刻膠,當然這會帶來更高的成本。

三星總裁在剛剛2015年的ISSCC上發表主題演講表示:直到5nm不會有根本性困難。

那5nm之後怎麼辦?成本居高不下的問題又該怎麼解決?摩爾定律是不是真的要終結了呢?讓我們看看半導體業界大佬們的觀點。

首先是IEEE Spectrum對摩爾老人家的專訪:

Rachel Courtland(IEEE Spectrum副主編):您在過去曾多次預測摩爾定律的終結,您現在認為它還能持續多久?


Gordon Moore: 恩,我從來沒有準確的預測它的終結,我說過我無法看到比下一個世代(的晶片)更遠的未來。

那兒似乎有一堵穿不透的牆,但這堵牆一直在往後退。

我很驚訝於工程師們有如此強大的創造力能夠在看起來只能完全停滯的情況下找到新的出路。

...我記得一次霍金在矽谷的時候,有人問他怎麼看集成電路技術所面臨的極限。

雖然不是他的研究領域,但他總結了兩點:光的有限速度和材料的原子特性。

我覺得他是對的。

我們已經接近原子極限,而且我們也利用了一切優勢來促使速度提升,但是光速會最終限制性能。

這些基本的問題目前看來依然沒有很好的解決方案,而在接下來的幾個世代中我們卻將要直面它們。


R.C.: 您是否認為我們對電子類產品的消費習慣會因為摩爾定律的終結而改變?

G.M.:我不覺得會改變太多。

只要有新的產品有成長的能力,它們會很快的迫使舊產品更新換代。

當我們是在想不出還有什麼新的花樣可以玩時,人們可能會覺得評不需要每年都換新的,可能一個電子產品可以用四五年。

這將會使整個產業的成長明顯放緩,但是我認為這樣的事發生是不可避免的。

R.C.: 你最初的預測主要是基於晶片上各部分的成本會不斷下降的這樣一個想法。

所以,這是最終將決定它也是因為這點嗎?這是一個經濟規律,所以它會有一個經濟規律式的消亡?


G.M.:我認為這最終將是一個技術消亡的問題,而不是一個經濟問題。

當他們不能做得更小的時候,人們仍將在相當長一段時間裡繼續從產品中壓低成本。

但我敢肯定,那時就是最終時刻來臨的時候了。


R.C.: 我告訴一些人今天將要來採訪您,然後我問他們我應該問您什麼問題。

有些人大笑著說:「你能不能問問他我們怎樣才能擺脫這個爛攤子?」因為他們都正掙扎在這些技術難題之中。


G.M.:Whoo. Well, 你總是可以辦理退休然後搬到夏威夷來。

(從英特爾退休後,戈登·摩爾通過戈登和貝蒂·摩爾基金會專注於慈善事業。

他住在夏威夷的海邊。


G.M.:這是商業的本質。

世上沒有那麼多可以輕輕鬆鬆賺錢的生意,有的話(半導體產業,集成電路產業)也肯定不會是其中之一。

以及對超大規模集成電路(VLSI)的祖師爺Carver Mead(同時也是摩爾定律的命名者)的採訪:

R.C.: 摩爾定律不是真正的定論,至少不是像我們所定義的物理定律一樣,您如何像普通人解釋它?


Carver Mead:我總是需要澄清(特別是在早期),這不是一個物理定則。

這是一個關於人類行為的規律。

為了讓事情都像我們半導體技術的發展一樣,這需要極大數量的具有創造性且十分努力的聰明的人來實現。

他們相信這種努力會造就一個成功的事業否則他們不會付出努力。

這種對有可能實現目標的信念最終使得夢想真正得以實現。

摩爾定律實際上是關於人們對未來的信念以及他們願意投入精力促使其發生的意願。

這是一個關於人類(人性,humanity)的了不起的宣言。


R.C.: 當摩爾定律即將終結,會發生什麼?


C.M.:我們最不想做的事就是在摩爾定律50周年的當下充斥著一些關於它的即將結束的悲觀情緒。

事實上,針對電晶體的盲目發展更小的尺寸這條路的確是不會永遠持續下去的,但這並不意味著建設更複雜,功能更強大的電子系統的時代即將結束。

有很大數目的非常聰明的人們正在一刻不停地挑戰並推進極限。

比如,有人正試圖將光學和電子元件集成在同一晶片上,也就是所謂的矽光子學,而這還只處於起步的階段。

我的經驗是,當你覺得在一條學習曲線上感到空氣稀薄,在某處總會有一個突破口,但突破口永遠不在你正在思考的位置。

我們永遠無法明了,直到下一個令人激動的BIG thing真正發生。

但總會有一個它等在那。

最後是FinFET創始人,UC Berkeley胡正明教授對於摩爾定律的觀點:

「我覺得半導體再發展一個世紀都是可以的。

常常有些學生和年輕的工程師問我說,我們這個半導體產業將來的前途怎麼樣,不是摩爾定律要結束了嗎?我跟他們說,會繼續下去。

原因很簡單,知道這個原因我想你大概就會同意我的想法。


我們學校裡面,又有化學家,又有物理學家,他們都看到了高科技需要半導體,他們也聽到了摩爾定律要結束了,所以他們過去十幾年都花了很多工夫都在想有什麼辦法來取代半導體。

我有機會跟這些諾貝爾獎級化學教授、物理教授交流,我知道他們在想什麼,跟他們談過很多,我可以說沒人能看到有其他任何東西可以取代半導體!但是他們看到很多可以幫半導體前進的東西。


既然不能夠取代半導體,剩下來的問題就是半導體給世界的好處,是不是已經走到盡頭了,還是說我們這個世界還需要半導體來做更多事情?


我的答案是我們的世界一定還需要更多更多智慧器件,這些智慧器件只有半導體能夠在下個世紀給我們的世界,數字革命只是剛剛開始,智慧器件和數字革命,他們的基礎都是半導體,既然沒有其它的科技能夠取代半導體來做數字功能和智慧器件的基礎,那麼我們這一行應有一百年的遠景。

因為這個原因,我如果今天再重新選一行的話,我還是會選這一行,因為我覺得它還有很大的前途。


我覺得數字革命剛剛開始,世界的資源是有限的,要改進人類生活,一定要靠電子智慧。

我們最近在想把一個新功能放在FinFET上面,它只要5個納米的新材料,我算了一下,如果把所有晶片上都加5納米新材料的話,每年一共只要 1000公斤材料,就又可以有一場新的革命了!


另一方面,摩爾定律所預言的指數增長到某個時間點必定會放緩。

公司為了掌握更高的市場份額、擊敗競爭對手,必須要拚命把產品性能翻一番甚至翻兩番,這些都是可以理解的,也正是他們的努力使得電子產業取得了如此的高速發展。

然而,沒有哪一種指數增長是可以一直延續下去的。

很可能從某一個時間點開始,每兩年翻一番的速度就會放緩到每四年到五年翻一番。

而那可能是個更好的結果——與其燦爛無比又一閃而逝,穩定而緩慢的增長顯然是更好的。

對於摩爾定律的未來,半導體業界還是比較樂觀的。

業界和學界對於摩爾定律的未來已經有了規劃,我們將在接下來的幾篇文章里討論。

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