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芯片破壁者(六):摩尔定律的一次次“惊险”续命

原创 人工智能 作者:naojiti 时间:2020-07-20 23:00:44 0 删除 编辑

1965年,《电子》杂志在创刊35周年之际,邀请时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔,为其撰写一篇观察评论,预测微芯片工业的前景。

此时,全球半导体产业才刚刚萌芽,英特尔公司都尚未成立,市面上生产和销售的芯片更是屈指可数。

摩尔根据有限的数据大胆提出了一条被后人奉为圭臬的路线图——处理器(CPU)的功能和复杂性每12个月增加一倍,而成本却成比例地递减,也就是有名的摩尔定律。(1975年,摩尔将12个月改为18个月,沿用至今)。

这篇名为“让集成电路填满更多的元件”的报告,就此指导了半导体乃至整个信息产业半个世纪的发展步伐。

就连摩尔本人都没有想到,这个定律的效力是如此持久。

2005年,摩尔直言“Something like this can’t continue forever” ,认为摩尔定律可能在 2010 至 2020 年达到极限而失灵,建立在硅基集成电路上的电子信息技术也将被另外一种技术所代替。

此后十几年,不断挑战半导体产业极限的摩尔定律,也在一次次撞向“天花板”的时候“被死亡”。

关于摩尔定律的唱衰言论层出不穷。2014年国际半导体技术路线图组织宣布,下一份路线图将不再依照摩尔定律。台积电张忠谋、英伟达黄仁勋等挑战者更是“语出不逊”,认定摩尔定律不过是苟延残喘。

显然,一切并没有发生。集成电路芯片向5nm甚至3nm制程进发,依然是英特尔、三星、台积电等半导体厂商孜孜以求的目标。

硬挺到今天的摩尔定律,为何总能被成功“续一秒”,又是哪些黑科技在帮助它一次次“起死回生”?围绕在它身上的传奇和产业竞速到底能续写到什么时候?接下来,我们就一起走进——摩尔定律的惊魂夜。

薛定谔的摩尔定律之死

在抵达一个个惊险刺激的历史现场之前,有必要先跟大家聊聊摩尔定律持续“碰壁”的原因。

摩尔定律的定义,历史上其实被更新过几次,因此也形成了不同的版本和表达。比如:

集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便增加一倍;

微处理器的性能每隔18个月提高一倍,或价格下降一半;

相同价格所买的电脑,性能每隔18个月增加一倍。

正是沿着这个思路发展,电脑、电话等在强劲的处理器芯片加持之下,才有了低价格、高性能的可能,进而得以应用于社会每个的每个领域,成就了今天无处不在的信息生活,甚至彻底改变了人类的生活方式。

而在过去的几十年里,为了满足摩尔定律,半导体行业算是堵上了自己的尊严:

提升晶体管的密度与性能,成为微处理器按“摩尔定律”进化最直接的方法要在微处理器上集成更多的晶体管,芯片制造工艺不断向天花板逼近,制程节点不断逼近物理极限。

1971年英特尔发布的第一个处理器4004,就采用10微米工艺生产,仅包含2300多个晶体管。

随后,晶体管的制程节点以0.7倍的速度递减,90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm等等相继被成功研制出来,最近的战报是向5nm、3nm突破。

既然大趋势如此成功,为什么“摩尔定律”还会被屡屡宣判失效、死亡呢?

任何一个对指数有所了解的人,都会明白这种增长要无限地保持下去是不可能的。“增加一倍”的周期都是18个月,意味着每十年晶体管的数量要提高一百倍。

摩尔自己在演讲时也开玩笑说,如果其他行业像半导体这样发展的话,汽车现在应该一升汽油就能跑几十万公里,市中心每小时的停车费可能比劳斯莱斯还要昂贵,还有可能汽车尺寸会缩小到两寸长根本无法载人……

因此,摩尔本人在谈论“摩尔定律”的生命周期时,更同意史蒂芬霍金的说法。后者曾在被问及集成电路的技术极限时,提到了两个限制:

一是光的极限速度,芯片的运行速度距离光速还很远;二是物质的原子本质,晶体管已经很接近原子的直径(0.01纳米到0.1纳米之间)。

也就是说,摩尔定律想要在当下继续发展,工程师们就不得不面临与这两个最基本的自然法则做斗争。听起来是不是一个很艰难的挑战?

体现在具体的产业难题上,就是随着硅片上集成电路密度的增加,其复杂性和差错率也会呈现指数级的上升。

硅材料芯片被广为诟病的便是高温和漏电。集成电路部件发散的热量,以及连线电阻增加所产生的热量,如果无法在工作时及时散发出去,就会导致芯片“罢工”;

此外,晶体管之间的连线越来越细,耗电也就成了大问题。而且导线越细,传输信号的时间也就越长,还会直接影响它们处理信号能力。如果电子能直接穿透晶体管中的二氧化硅绝缘层,就会触发“量子隧穿效应”,完全丧失功能。

要在指甲盖大小的芯片上以亿为单位来雕刻晶体管,难度就像从月球上精准地定位到地球上的一平方米一样,这种原子甚至量子级别的集成电路焊接与生产,就对工艺精密度提出了更高的要求。

一边芯片被要求越做越小,性能越来越高;一边物理限制又需要晶体管之间保持一定的距离,可不为难死工程师了嘛。

同时别忘了,摩尔定律还被附加了经济色彩。除了性能之外,成本/价格的同时下降也被看做是基本要求。

体现到消费级市场,就是用户们在每两年,用更少的钱买到性能更高的电脑、手机产品。

但是,技术研发投入与光刻设备的更新换代,都需要半导体厂商耗费大量的资金。

生产精密程度的不断提升,也需要在制造环节投入更大的人力物力,一代代芯片生产线的设计、规划、调试成本,也在以指数级增长。

以前,生产130nm晶圆处理器时,生产线需要投资数十亿美元,到了90nm时代则高达数百亿,超过了核电站的投入规模。按照IBS 的 CEO Handel Jones 的预测,3nm 芯片的研发成本,甚至将达到 令人发指的40 亿至 50 亿美元。

为了摊薄成本,半导体厂商不得不生产更多的芯片,这又会导致单片芯片的利润回报下降。

很显然,半导体企业不可能长期“既让性能翻一倍,又让价格降一倍”,如果18个月没有收回成本,就要面临巨大的资金压力。

更为残酷的是,受软件复杂性等影响,芯片性能的提升在用户感知度上也越来越弱。

上世纪八九十年代,晶体管数量增加带来的性能加成是明显的。比如奔腾处理器的速度就远高于486处理器,奔腾2代又比奔腾1代优秀得多。

但正如大家所见的,进入21世纪以来,芯片制程越来越小,但用户对性能提升的感知度却不如以往令人惊艳,更新换代的买单欲望也能轻易被控制——等待更具性价比的计算硬件,锁死了摩尔定律的增长周期。

曾几何时,谷歌CEO Eric Schmidt 被问及会不会购买 64 位“安腾”处理器时,对方就表示“谷歌已经决定放弃摩尔定律”,不准备购买这种在当时看来的超级处理器。当然,这一决定被历史证明打脸了。

但也说明,即使厂商完成了前期的烧钱游戏,也未必能在中短线消费市场上完美收官。

总体而言,过去六十多年里,半导体行业的快速发展,正是在摩尔定律的推动下实现的,一代代运算速度更快的处理器问世,让人类彻底走进了信息时代。

与此同时,在芯片焊接和生产已经达到原子级别、接近量子级别的程度之后,摩尔定律也从指导行业进化的“金科玉律”,逐渐变成了捆绑在半导体产业头上的紧箍咒。

想要继续发挥作用,必须付出巨大的成本,让行业举步维艰、苦不堪言的同时,不断被唱衰也就成了摩尔定律的宿命。

性能、价格、市场预期,就如同三体世界里的三个太阳,在半个多世纪的时间里反复炙烤着摩尔定律。

接下来,我们就一起回到几个重要的“碰壁现场”,去看看摩尔定律是如何在一次次瓶颈期“惊险”逃生、鞭策着整个行业继续为之奋斗的。

第一次续命:从MSI到VLSI,工匠之国日本的崛起

在此前的章节中,我们谈论了以DRAM为代表的VLSI超大规模集成电路的崛起,以及美国、日本在这个技术战场上的世纪战争。

而摩尔定律,既是这场战争必然爆发的推动力,也是产业版图更迭的见证者。

了解历史的人知道, 1975年,在“摩尔定律”发布的十年后,摩尔本人对定律进行了修改,将原本的“12个月翻一倍”改为了“18个月”。

当时,摩尔已经离开仙童,与别人一起创立了英特尔。而技术的挑战也在此时拉开序幕。

1975年,英特尔公司准备推出的一款电荷耦合器件(CCD)存储芯片中,只有3.2万个元件,这比摩尔定律预测的千倍增长整整少了一半。

第一个办法当然是修改定律,将产业周期从12个月延长到18个月。摩尔在一次访谈中曾提及这次修改,不无消极地说,自己的论文只是试图找到以最低成本生产微型芯片的方式——

“我觉得不会有人会按照它(摩尔定律)来制定商业计划 ,可能是因为我还沉浸在第一次预测正确的恐慌当中。我不觉得还会有人关注这个预测。”

翻车的原因在于,摩尔定律提出的1965年,还是小规模集成电路(SSL)时代,芯片内的元件不超过100个。此后,MSI(中规模集成电路)顺利地摆渡了十年,生产技术的进步远远领先于芯片设计,晶体管数量几乎每年都会翻番,完美符合摩尔定律。

但接下来,工程师们认为要在单芯片上集成十万个晶体管,VLSI阶段正式来临。与此同时,DRAM存储器、微处理器CPU等芯片产品的出现,在将芯片复杂度发挥到极致的同时,也让成本的经济性开始引起重视。

当时,美国半导体产业界已经在实验室完成了对VLSI的技术突破,为什么最后却是日本成功上位呢?

因为新时期里,拯救摩尔定律的不是技术上的突破,而是商业价值上的精进。

DRAM是当时最重要的半导体市场消费品,而其制造的关键在于更细 、更密集的电路。面临的挑战在于,随着芯片上元件的增多,晶圆上的随机缺陷影响加大,导致成品率降低,自然提高了芯片的生产成本,也让厂商的收益不那么美好。

必须实现成本下降,才能延续摩尔定律。而日本产业对技术和经济的平衡,在此时发挥了重要的作用。

1976年,日本以举国之力启动了闻名遐迩的超大规模集成电路研究计划。

由通产省技术专家和官员出面,集合了富士通、日立、三菱、日本电气(NEC)和东芝等5家公司,共同设立了VLSI研究所。

日本在进军半导体市场时更注重改进制程,而不是产品上有什么革命性的突破。日本VLSI研究所的目标,就是在微精细加工、工艺技术、元件技术等等课题上尝试提升。

VLSI项目实行了4年,于1980年结束,也确实诞生了丰硕的研究成果,大约有1000项发明获得了专利,这对日本半导体的国际竞争力起到了重大作用。

与此同时,注重制造技术也为日本半导体公司带来了全球竞争优势,虽然不像革命性产品那样引人注目,但价格和质量却成为攻占市场的重要筹码。

当时,业界每两三年便会推出新一代DRAM,存储能力以倍数上升,消费者们也热衷于升级存储条。庞大的市场需求,撞上日本工业界对集成电路的改良,直接从半导体产业大本营——美国手里抢走了不少市场份额。

1982底,日本的第一代超大规模集成电路的64K RAM已经占到国际市场的66%,至此,日本在DRAM制造方面的全球领导地位奠定,也使其成为下一代微芯片的技术领导者。

正是日本在VLSI技术上的发力,让摩尔定律得以继续发扬光大。到了1980年代,摩尔定律已经被看到是“DRAM准则”,随后,微处理器也出现在了曲线上。复杂度(晶体管的数量),以及芯片性能(处理器的操作速度),成为摩尔定律的主要预测对象,摩尔定律也从此时起成为业内公认的标准,不少微处理器和存储器芯片企业根据这一趋势来制定生产计划、参与国际竞争。

制程工艺与经济性的正式融合,让摩尔定律与半导体发展节奏,从80年代中期开始,开始变得密不可分。

第二次续命:从2D到3D,一杯名为技术的“美式咖啡”

摩尔定律的第一次续命,成功拉开了半导体产业的激烈竞争。

当时的产业逻辑是,制程领先的企业很容易获得市场份额和规模优势,进而让落后者无利可图。

但这种高速发展不断撞上了新的天花板,摩尔定律也迎来了自己的第二次“被死亡”。

20世纪90年代中期,在IBM研究所工作的刘易斯·特曼(Lewis Terman)宣称,摩尔定律的终结就在眼前。

原因很简单,进一步缩小晶体管尺寸再一次迎来技术瓶颈。

当时,半导体行业开始用激光作为光源在硅晶圆平面上制造晶体管和集成电路,当波长从 365 nm 降低到 248 nm,晶体管尺寸也逐渐逼近100nm。随着组件尺寸变小,当晶体管处于“关闭”状态时,电流很容易泄漏出来这会造成芯片的额外损耗。

2000年,全世界研究者都在研究如何让更短波长的微影蚀刻成功,延长干式机台的寿命。台积电在此时杀出,与ASML共同完成开发全球第一台润式微影机台,采用193波长曝光的“湿式”机台量产45nm制程,一时间引人瞩目,将半导体制程从45nm向前推进,让摩尔定律得以延续。

很快,大家都觉得这已经到硅芯片的极限了,摩尔定律再次失效,半导体产业的黄金年代也即将结束。

于是在 2002 年 11月,英特尔股票被美林证券将降级 , 从 “中立”降为 “卖出”, 股价再次应声而落。

美国对于这种情况也十分担忧,国防高级研究计划局(DARPA)还启动了一个名为“25nm开关(25-nm Switch)”的计划,试图提升芯片容纳晶体管数目的上限。

让英特尔及 “摩尔定律”继续引领行业的,是一位华人。

加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授的胡正明,由于美国在能源领域的学术拨款紧缩,转向参加企业项目,开始挑战半导体领域的难题。

(FinFET发明者胡正明)

既然晶体管尺寸无法再缩小,提升密度能不能同时保证技术和成本效益呢?按照这一思路,胡正明提出了鳍式场效晶体管(FinFET,Fin Field-effect transistor)方案。

以前,整个芯片基本上是平坦的,而胡正明则一改此前元器件和电路都在芯片表面一层的CMOS晶体管工艺理念,改为用垂直方法铺设电流通道。

在硅基底上方垂直布设细传导通道,传导通道像鲨鱼鳍一样排列,栅极可以三面环绕通道,而不是仅仅位于通道上方。

(FinFET工艺结构特点)

这种方式不仅能很好地接通和断开电路两侧的电流,使栅极能够更好地控制电子流动,从而大大降低了芯片漏电率高的问题,还利用垂直空间,大幅地缩短了晶体管之间的闸长。

晶体管尺寸发展到25nm以下后,FinFET方案发挥了巨大的作用。

不过,FinFET的工艺制造过程较为复杂,英特尔2002年起投入3D晶体管的研发,2011才开始利用FinFET方案正式批量生产晶体管,22nm的酷睿处理器三代就使用的FinFET工艺。

随后,各大半导体厂商也开始转进到FinFET工艺之中,台积电16nm、10nm,三星14nm、10nm以及格罗方德的14nm等等,都是在FinFET工艺支撑下实现的。

3D晶体管时代的开启,又一次将摩尔定律推后了数年。

第三次续命:全球联动EUV,只为撬出突破口

“摩尔定律”的舒坦日子还没过多久,新的催命符又来了。

国际半导体技术发展路线图更新后大家发现,增长在2013年年底又放缓了。

进入三维结构之后,芯片工艺无法严格按照既定的路线升级制程工艺。各个半导体厂商的产品创新屡屡被用户吐槽“挤牙膏”,AMD停留在 28nm多年,英特尔在14nm节点区分出“14nm、14nm+、14nm++”三种制式更被引为笑谈。

看起来,摩尔定律似乎在14nm节点上又一次无路可走了,接下来怎么办?

一个来自于哈勃太空望远镜,为美苏“星球大战”计划而开发的技术——EUV,开始在产业界登场。

(EUV原理)

此前,英特尔用超微深紫外线(DUV,Deep Ultra Violet)技术制造出了为数不多的30nm 晶体管样品。随后,研究人员又将下一步研究放在了大规模采用极紫外线刻蚀技术(EUV)来进行生产上。

2012 年,英特尔、三星和台积电(TSMC)为 ASML 的下一代光蚀刻技术募集了 13.8 亿欧元的研发经费,其中有4000 名专注 EUV 项目的员工。

有意思的是,尽管英特尔很早就在布局EUV技术,但最早推出EUV制造的7nm芯片样品的,却是IBM。

当时,《纽约时报》以《IBM Announces Computer Chips More Powerful than Any in Existence》(IBM发布了比现有任何一种产品都强大的计算芯片)为题报道了此事,有些媒体更直言“IBM打了英特尔的脸”。

不过,EUV光刻技术采用13.5nm长的极紫外光作为光源,对光照强度、能耗效率和精度等都有极高要求。因此,尽管其研发始于20世纪80年代,但达到晶圆厂量产光刻所需要的技术指标和产能要求,却摸索了很长一段时间,以至于在此期间,摩尔定律不断被挑衅。

2017年的GTC技术大会上,GPU芯片厂商NVIDIA英伟达甚至提出要靠GPU开启AI时代的计算新纪元。其CEO黄仁勋声称,摩尔定律已经终结,依靠图形处理器推动半导体行业发展才是正道,而寻找更强大的CPU则应该让出主导地位。

以前,摩尔定律强调性能可以“一力降十会”,而英伟达认为,赋予晶体管智慧比力量更加重要。

对此,摩尔接受《纽约时报》专访时表示,如果良好的工程技术得到应用,那么摩尔定律仍可以坚持 5 到 10 年时间。

摩尔定律的变缓,给了 EUV 足够的时间迎头赶上这根救命稻草,终于在近些年成功落地。

2016年后,EUV光刻机开始投入晶圆厂,用于研发和小批量试产。随后,三星、台积电、英特尔等都争先恐后地将EUV投入芯片量产,中芯国际斥资1.2亿美元买入EUV光刻机的新闻也见诸报头。

用ASML(阿斯麦)研发副总裁Anthony Yen的话来说,EUV光刻是目前唯一能够处理7nm和更先进工艺的设备,并被广泛看做是突破摩尔定律瓶颈的最关键武器。

但成本,依然是困扰摩尔定律的难题。目前建设一个7nm工厂需要投资150亿美元,5nm工厂将需要300亿美元,而3nm理论上是600亿美元。

最后如何在终端市场上将成本顺利摊销,加上复杂国际政治局势的干扰,对三星、台积电等半导体厂商来说都是一件风险极大的事。

不难看出,在EUV为核心的战场上,芯片厂商与代工厂的竞争已经告一段落,更上游的半导体材料厂商、光刻机设备厂商,甚至学术界、产业界的工艺创新,开始加入其中,成为拯救摩尔定律不可或缺的参与力量。

其他屡建奇功的续命“药丸”

当然,在摩尔定律的续命史上,除了上述三个重要的技术节点、提高主频性能之外,也有不少方法屡建奇功。

比如新的封装技术。像是Chiplet小芯片系统封装技术,就可以促进芯片集成、降低研发成本、提高成品率,被认为是扩展摩尔定律有效性的另一种武器。

据说,台积电最新的3D SoIC封装技术将于2021年进入批量生产,促进高性能芯片的成本效益。

再比如寻找硅材料的替代品。利用新型材料做出分子大小的电路,也能使芯片性能变得更强大。在半导体发展历程中,元素周期表上的各种可能都被广泛尝试过。

华为任正非就曾公开表示,石墨烯有潜力颠覆硅时代。英特尔也宣布,在达到7纳米工艺之后,将不再使用硅材料。光刻胶等半导体材料的创新,也在推动摩尔定律的持续演进。

(英特尔对半导体工艺的进展预期)

也有人提出了“More than Moore”(超越摩尔定律)路线,通过改变基础的晶体管结构、各类型电路兼容工艺、先进封装等多种技术,共同发力来延续半导体行业的发展,而不再局限于缩小晶体管特征尺寸所带来的推动力。

总而言之,摩尔定律何时触顶或未可知,但半导体行业的进步永不终结,而围绕产业规律展开的商业竞争与硝烟也会继续延绵不休。

(超越摩尔定律:多样化)

回望摩尔定律的一次次惊险续命,不难发现,尽管其很多假设都会随着时代变化而变得不再适用,但半导体产业的特殊之处却决定了它顽强的生命力。

一方面,摩尔定律督促着技术工程师们不断挑战极限,聚焦于难题上,以尽可能地挖掘硅部件的潜力,作为“硅谷的节拍器”,摩尔定律在让行业走上巅峰的时候,也成为了产业的基本法。

而每当行业发生本质变化的时候,摩尔定律也会随之得到修正和改变,使其始终保持着一定的准确度。

此外,即使全行业都在摩尔定律之下展开激烈竞争,但这并不意味着标新立异没有意义,用不同的生产、工艺、材料等等方式寻求更快的发展,自控式企业也更容易抓住机会,打破固有的市场格局脱颖而出。

当然,在摩尔定律的感召下,科学家、工程师、投资方,甚至曾经的竞争者,也有可能形成共同体,在同一理想的支撑下大胆投入高风险的研发活动。

从日本半导体厂商的逆袭、英特尔的多年辉煌、英伟达的豪横发言等身上,会发现正是摩尔定律的文化隐喻,让产业的发展速率变得不可预测,也格外精彩。

这也是为什么,我们会追寻摩尔定律“起死回生”的历史瞬间。因为它不仅对半导体行业的变化趋势十分重要,更是技术轨道和预言的重要范例。

半个多世纪以来,摩尔定律本身已经改变,但其文化内核却始终不变,只是以更广阔、更强大的方式与我们再次触碰。

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