“爭議”摩爾定律，英特爾反駁英偉達“結束論”

9月28日凌晨，面對摩爾定律的“信任危機”，英特爾CEO帕特·基辛格(Pat Gelsinger)表示，至少在未來十年里，摩爾定律“依然有效”。然而在一周前，英偉達創(chuàng)始人兼CEO黃仁勛卻表達了截然相反的觀點。黃仁勛在一場采訪中表示，以類似成本實現(xiàn)兩倍業(yè)績預期對于芯片行業(yè)來說已成為過去?！澳柖山Y束了?！?/p>

兩大芯片巨頭對于摩爾定律的分歧展現(xiàn)了當下芯片企業(yè)對于技術演進方向的不確定性。即便實現(xiàn)了晶體管堆積數量的增加，但是成本的飆升開始讓越來越多的企業(yè)停下對先進制程的追逐，思考摩爾定律本身的合理性。

英偉達VS英特爾：摩爾定律過時了嗎？

摩爾定律由英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)在上世紀60年代提出，逐漸演變對芯片行業(yè)的技術預言：集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能大約每兩年翻一倍，計算成本呈指數型下降。

從行業(yè)角度來看，業(yè)界一直遵循這一定律，并按前一代制程的0.7倍對新制程節(jié)點命名，這種線性升級正好帶來晶體管集成密度翻番。因此，出現(xiàn)了90納米、65納米、45納米、32納米——每一代制程節(jié)點都能在給定面積上，容納比前一代多一倍的晶體管。

這種對先進制程的追逐也極大推動了計算產業(yè)的發(fā)展，從而孕育出了高速度的互聯(lián)網、智能手機和現(xiàn)在的車聯(lián)網、智能冰箱和自動調溫器等。

但隨著技術的發(fā)展，隨著工藝從微米級到納米級，同樣小的空間里集成越來越多的硅電路，產生的熱量卻越來越大，摩爾定律所推崇的“兩年處理能力加倍”的實現(xiàn)開始變得乏力。

在業(yè)內看來，不斷逼近物理極限的晶體管加工早已讓現(xiàn)有的光刻技術“不堪重負”，CPU晶體管和能量大幅上升導致應用性能只有小幅增長，Dennard(登納德)縮放效應遇到了元件物理的瓶頸。此外，摩爾定律質疑聲中最大的“噪音”來自于技術與成本的平衡。

英偉達認為，隨著芯片架構變得更加復雜，硅晶片變得更加昂貴。

黃仁勛此前在接受包括第一財經在內的記者采訪時表示，“今天12英寸的晶圓要貴得多，不是貴了一點點，是貴了非常非常多。技術越來越貴，所以我們必須使用更多辦法，像RTX、DLSS、SCR、Tensor Cores這樣的發(fā)明，使我們能夠繼續(xù)克服成本的增加?！?/p>

以晶圓代工成本為例，根據美國喬治敦大學沃爾什外交學院安全與新興技術中心（CSET）發(fā)布的研究數據顯示，臺積電一片采用3nm制程的12英寸晶圓，代工制造費用約為3萬美元，約為5nm的1.75倍。在裸片（die）面積不變（即升級架構，不增加晶體管數量）、良率不變的情況下，未來蘋果A17處理器如果采用3nm制程，成本將上漲到154美元/顆，成為iPhone第一大成本零部件，而5nm的A15處理器原來只是iPhone的第三大成本零部件。

“成本的增加對于一些芯片企業(yè)來說確實帶來了壓力。”Counterpoint分析師Brady對第一財經記者表示，英偉達的部分產品從三星的8納米轉到臺積電的4納米時，成本多了一倍有余，芯片代工成本的上升讓企業(yè)選擇的技術路徑也會發(fā)生改變。

但在英特爾看來，摩爾定律不會因為無用而結束，也不會因為經濟效益不足而受阻。目前，英特爾仍在積極嘗試在單個芯片上塞入更多晶體管。

基辛格在28日的講話中提到，英特爾正在推進制造工藝的進步，例如采用新的光刻技術和RibbonFET架構，這能夠讓公司在每個芯片上繼續(xù)塞進更多的晶體管，即使它們變得足夠小，小到可以用埃(0.1納米)單位來測量。

“我們希望從今天的單個封裝上容納大約1000億個晶體管開始，到這個十年結束時實現(xiàn)在單個封裝中加入一萬億個晶體管?！被粮癖硎荆柖芍辽僭谖磥淼氖昀镆廊挥行?。

誰來拯救“摩爾定律”

“摩爾定律并非自然規(guī)律，而是對集成電路性能發(fā)展的觀測或預測。過去半個多世紀以來，半導體行業(yè)大致按照摩爾定律發(fā)展，單個芯片上集成的晶體管數量從幾千個增加到十幾億個?！盋IC灼識咨詢合伙人趙曉馬對記者表示，現(xiàn)在看來摩爾定律逐漸遭遇瓶頸。受制于芯片尺寸的物理極限、光刻技術、隧道效應、功耗和散熱、供電能力等問題，從5nm到3nm再到2nm，其間隔都超過了2年時間。

趙曉馬認為，現(xiàn)在半導體行業(yè)更像是進入了后摩爾時代，需要拓展新的技術路線來延續(xù)摩爾定律。新集成、新材料、新架構逐漸成為顛覆創(chuàng)新的焦點。新集成包括Chiplet、先進封裝等，Chiplet由于其高性能、低功耗、高面積使用率以及低成本受到廣泛關注，在FPGA、GPU等高性能計算市場具備很高潛力?！?/p>

以Chiplet為例，這一技術通常被翻譯為“粒芯”或“小芯片”。單從字面意義上可以理解為更為“粒度更小的芯片”。它是一種在先進制程下提升芯片的集成度，從而在不改變制程的前提下提升算力，并保證芯片制造良品率的一種手段。

舉例來說，在一顆7nm工藝制程的芯片中，一些次要的模塊可以用如22nm的較低的工藝制程做成Chiplet，再“拼裝”至7nm芯片上，原理如同搭積木一樣，這樣可以減少對7nm工藝制程的依賴。Chiplet模式也是在摩爾定律趨緩下的半導體工藝發(fā)展方向之一。

截至目前，包括英特爾、AMD在內的多家芯片巨頭企業(yè)都曾表明或已經在產品中導入Chiplet設計。華為曾在2019年推出了基于Chiplet技術的7nm鯤鵬920處理器。AMD今年3月推出了基于臺積電3D Chiplet封裝技術的第三代服務器處理芯片。蘋果則推出了采用臺積電CoWos-S橋接工藝的M1 Ultra芯片。

此外，趙曉馬表示，先進封裝技術也是英特爾、臺積電等巨頭的重點投入方向之一，從而緩解摩爾定律的消逝?！澳壳靶袠I(yè)內主要有倒裝封裝、晶圓級封裝、2.5D/3D封裝以及SiP系統(tǒng)級封裝等。新材料主要是以SiC、GaN、GaAs為主的第三代半導體材料，具有高頻、高功率、耐高壓高溫等特性，在5G、光伏等領域廣泛應用。而新架構是指突破馮諾依曼架構的新芯片架構，例如異構計算、RISC－V精簡指令集架構等。英偉達重點投入新架構來推動加速計算，新推出的Hopper GPU架構使AI計算性能顯著提升?！?/p>

“摩爾定律帶來的不是一場競賽。”英特爾高級院士Mark Bohr此前曾在一場制造大會上表示，誠然有一天可能會達到物理極限，但像1990年，當晶圓上的晶體管大小達到用以印刷它們的光的波長(193納米)時，物理學界明確指出不能再向前推進了，但計算型光刻技術和多重曝光跨越了那個挑戰(zhàn)。

在英特爾看來，摩爾定律已經“失效”了很多次，但每一次都能在關鍵技術上實現(xiàn)突破，得以延續(xù)?！艾F(xiàn)在這個時候，需要整個產業(yè)鏈一起配合，微縮工藝要提升，需要光刻機，需要把它提升到能更精細地刻畫這些特征尺寸的層級?！庇⑻貭栔袊芯吭涸洪L宋繼強表示，摩爾定律的進展不是一家之力，但是如果大家都相信摩爾定律，它仍然能夠以一定的節(jié)奏延續(xù)下去，仍然是會不斷有新的技術涌現(xiàn)出來。即使在現(xiàn)在CMOS工藝下，也還是可以推進到2nm以下。

Brady則對記者表示，從行業(yè)發(fā)展趨勢來看，未來5年內摩爾定律仍然會持續(xù)?！暗F(xiàn)在最大的問題在于需求部分的增長，未來市場是否仍然存在這么多小而快的產品需求，手機需求下降時，汽車、物聯(lián)網設備能否成為新技術的出?？?，這是最緊迫的問題，也是企業(yè)投入先進技術的最大動力。”