戈登·摩爾離世 —— 斯人已逝，摩爾定律也已是“遲暮英雄” 終將曲終人散

摩爾定律的提出

除了創(chuàng)立英特爾，戈登·摩爾更為人熟知的成就，當(dāng)屬提出了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域著名的定律 —— “摩爾定律”（Moore’s Law）。

1965年戈登·摩爾在《電子學(xué)》（Electronics）雜志35周年專刊上寫了一篇名為“讓集成電路填滿更多的元件”的短文，提出了基于實(shí)踐數(shù)據(jù)觀察的著名預(yù)測(cè)“摩爾定律”，即集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔12個(gè)月就翻一番，從而以指數(shù)方式提高計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力。

后來逐步演化為每隔18-24個(gè)月翻一番，再后來又加上了經(jīng)濟(jì)含義，即單位晶體管的價(jià)格會(huì)每兩年減少一半。無論如何，芯片技術(shù)以指數(shù)級(jí)速度增長，不斷使電子產(chǎn)品變得更快、更小、更便宜，這個(gè)想法成為了半導(dǎo)體行業(yè)的驅(qū)動(dòng)力，使得芯片普遍用于成百上千萬的日常產(chǎn)品成為可能。

AI時(shí)代對(duì)摩爾定律的影響

雖然摩爾定律在歷史上發(fā)揮了舉足輕重的作用，但是隨著進(jìn)入AI時(shí)代，算力需求持續(xù)增加，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的變革也近在咫尺，業(yè)界關(guān)于“摩爾定律是否失效”的討論越來越多。

在黃仁勛看來：“摩爾定律已經(jīng)結(jié)束了”。隨著加速計(jì)算和人工智能時(shí)代的到來，摩爾定律的基本發(fā)展動(dòng)能已經(jīng)走到盡頭，以類似成本實(shí)現(xiàn)兩倍業(yè)績預(yù)期對(duì)于芯片行業(yè)來說已成為過去式。

從定律狹義角度來說，摩爾定律確實(shí)是死了。因?yàn)槟柖傻亩x是集成電路在單位成本及功耗變動(dòng)不大的條件下，晶體管數(shù)目提升一倍。也就是說，摩爾定律的精神在于集成電路性價(jià)比成本提升。但目前的發(fā)展已經(jīng)走到性價(jià)比裹足不前，顯然已經(jīng)不符合該定義了。

根據(jù)美國喬治敦大學(xué)沃爾什外交學(xué)院安全與新興技術(shù)中心（CSET）發(fā)布的研究數(shù)據(jù)顯示，臺(tái)積電一片采用3nm制程的12英寸晶圓，代工制造成本約為3萬美元，約為5nm成本1.7萬美元的1.75倍，也是7nm的3.21倍。在裸片（die）面積不變（即升級(jí)架構(gòu)，不增加晶體管數(shù)量）、良率不變的情況下，未來蘋果A17處理器如果采用3nm制程，成本或?qū)⑸蠞q到154美元/顆，是iPhone第一大成本零部件。

隨著芯片架構(gòu)變得更加復(fù)雜，制程工藝越來越先進(jìn)，硅晶片變得更加昂貴，而英偉達(dá)GPU和系統(tǒng)體系的發(fā)明，可以克服成本和通貨膨脹問題。黃仁勛想到的破局點(diǎn)之一是借助GPU所帶來的加速計(jì)算，“解決那些摩爾定律無法解決的，或者說在摩爾定律時(shí)代是不可能被解決的問題?！?/p>

黃仁勛將英偉達(dá)類比為臺(tái)積電，最近發(fā)布的“NVIDIA AI Foundations（英偉達(dá)AI基礎(chǔ)大模型）”，客戶甚至不用自己配置超級(jí)計(jì)算機(jī)服務(wù)，直接借助英偉達(dá)DGX Cloud的AI超級(jí)計(jì)算云服務(wù)，通過一個(gè)Web瀏覽器就能訓(xùn)練、訪問大模型產(chǎn)品。

但重返英特爾出任CEO的帕特·基辛格顯然并不認(rèn)同黃仁勛觀點(diǎn)。在悼念摩爾文章中，基辛格再次重申：“英特爾仍然受到摩爾定律的啟發(fā)，并打算追求它，直到元素周期表用盡?！?/p>

無論是基辛格還是黃仁勛的說法，都展現(xiàn)的是企業(yè)自身對(duì)于公司最匹配的戰(zhàn)略方向考量，從系統(tǒng)角度來講，兩者觀點(diǎn)并不矛盾。從英特爾角度來說，它一直引領(lǐng)技術(shù)前進(jìn)方向，摩爾定律并沒有失效；而黃仁勛的說法，是預(yù)測(cè)GPU將推動(dòng)AI性能實(shí)現(xiàn)逐年翻倍，這不僅包含工藝節(jié)點(diǎn)，還有系統(tǒng)體系、軟件算法、接口設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葘?shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)提升。

“What Andy gives, Bill takes aways”（Andy指英特爾CEO安迪·格魯夫，Bill指的是微軟創(chuàng)始人比爾·蓋茨）。這句流傳甚廣的諺語大意是說，硬件性能的大幅度提升所帶來的廣闊空間，很快就會(huì)被軟件的發(fā)展消耗殆盡。相比起硬件，軟件的進(jìn)步則要容易得多，也快得多。另外從人們的體驗(yàn)來說，如果芯片只做制程工藝提升，不做任何優(yōu)化，性能體驗(yàn)提升并不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

其實(shí)早在2015年，摩爾定律50周年之際，退居幕后做慈善的戈登·摩爾接受紐約時(shí)報(bào)專欄作家托馬斯·弗里德曼采訪時(shí)直言：“摩爾定律”不會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)下去。

OpenAI公司首席執(zhí)行官、“ChatGPT之父”山姆·阿爾特曼也曾表示，新版摩爾定律很快要來了。我們已經(jīng)看到了摩爾定律的極限，盡管還沒有觸碰到，AI時(shí)代的摩爾定律或許正在孕育中，這可能是對(duì)戈登·摩爾最好的致敬。

摩爾定律的極限在哪里？

摩爾定律實(shí)現(xiàn)的維度主要分為制造、設(shè)計(jì)、封裝三方面。摩爾定律在制造端的提升已經(jīng)逼近極限，開始逐步將重心轉(zhuǎn)向封裝端和設(shè)計(jì)端。

隨著人工智能、新的非硅半導(dǎo)體材料、光電量子等新技術(shù)的加速，以及半導(dǎo)體工藝和體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，近年來，大家逐漸對(duì)于“摩爾定律”是否延緩或失效話題產(chǎn)生一定分歧，從而誕生出了多種技術(shù)演進(jìn)方案。

同時(shí)，為了提升集成電路PPA：更高的性能，更低的功耗，更小的面積（成本），即使實(shí)現(xiàn)了晶體管堆積數(shù)量的增加，性能的提升，但是成本的飆升、高昂的價(jià)格讓越來越多的企業(yè)停下對(duì)先進(jìn)制程的追逐，思考摩爾定律本身的合理性。

摩爾定律是依據(jù)芯片工藝節(jié)點(diǎn)提出來的，工藝節(jié)點(diǎn)（nodes）是指芯片中MOS晶體管（一種金屬氧化物半導(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種可變電流開關(guān)）柵極的最小長度，其尺寸和晶體管大小成正比。它是我們接觸最多的芯片參數(shù)，比如：10nm、7nm等。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)是前一代的0.7倍（ITRS規(guī)劃的最合適倍數(shù)）時(shí)，芯片面積將降低一半（0.7X0.7=0.49），換言之，就是單位面積上晶體管的數(shù)量翻了一番，這便是摩爾定律提出的基礎(chǔ)。一般而言，每隔18-24個(gè)月，工藝節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)展一代。

毫無疑問的是，摩爾的預(yù)測(cè)能力在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的中早期（2000年之前）至少持續(xù)了20年，推動(dòng)了整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2000年之前，每一代芯片的性能提升來自兩個(gè)方面：一是按照Denard（登納德）微縮效應(yīng)，每代芯片的頻率提升帶來了40%的改進(jìn)；二是每代芯片晶體管密度提升帶來的體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)符合波拉克法則，即平方根級(jí)別的提升，達(dá)41%。將這兩方面的性能提升疊加，最終得到1.97倍，于是每代會(huì)有差不多一倍的提升，而且，芯片晶體管密度的“摩爾定律”可換算成性能的“摩爾定律”。

從行業(yè)角度來看，業(yè)界一直遵循這一定律，隨著年份推移而指數(shù)型尺寸微縮，從而誕生出90nm、65nm、45nm、32nm、28nm —— 每一代制程節(jié)點(diǎn)都能在給定面積上，容納比前一代多一倍的晶體管。

但是當(dāng)柵極縮小到20nm后，漏電率很高，平面型晶體管走到了盡頭；隨后三維鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）出爐，使芯片擴(kuò)展到5nm，延續(xù)了摩爾定律。不過4nm后，鰭式結(jié)構(gòu)也面臨著漏電問題，摩爾定律又面臨難題。

值得注意的是，立體晶體管還帶來一個(gè)改變，原來用數(shù)字代表工藝的提升，那個(gè)數(shù)字是可以量出來的，有具體意義的物理量。而如今更傾向于營銷概念，而它卻不是節(jié)點(diǎn)的長度，而是等效長度，這早已脫離當(dāng)初的摩爾定律了。

數(shù)字越小晶體管越密，7nm代表工藝比14nm更先進(jìn)比5nm落后，不代表晶體管上的任何尺寸 —— 3nm不是晶體管寬度3nm，拿尺子量，找不到任何一個(gè)3nm的尺寸。

并且隨著材料極限的接近，摩爾定律終將失效。因?yàn)樾酒羞B接晶體管的線寬如果只有1nm（幾個(gè)原子大?。?，其材料性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致無法正常工作。

從摩爾定律的這段歷史和時(shí)間表可以明顯看出三個(gè)獨(dú)立的階段。

? 第一階段：當(dāng)晶體管密度由登納德定標(biāo)控制時(shí)，從1965年的公式延伸到大約2005年。

? 第二階段：是半導(dǎo)體管芯的尺寸水平擴(kuò)展（“更大的芯片”），通常是通過增加核心數(shù)量（核心是一個(gè)小的CPU或內(nèi)置在更大的CPU中的處理器），從2005年左右延伸到2020年，屆時(shí)管芯尺寸達(dá)到實(shí)際極限。

? 第三階段：始于半導(dǎo)體管芯首先垂直縮放，然后通過新的步驟擴(kuò)展以保持摩爾定律的有效性。復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，以及更多的材料、架構(gòu)、連接選項(xiàng)和封裝進(jìn)步（小芯片等），所有行業(yè)都必須從設(shè)計(jì)到制造再到過程控制和測(cè)試，才能實(shí)現(xiàn)第三階段的變化。

實(shí)際上，芯片性能的提升主要涉及半導(dǎo)體工藝和體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，性能提升的同時(shí)，能耗也在提升。但如今，Denard微縮效應(yīng)遇到了元件物理的瓶頸，早已失效，單核性能的提升沒法純粹依靠主頻的提升。

于是，行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了多核處理器、AI 芯片、專用集成電路（ASIC）或FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）芯片等，以提升芯片吞吐量性能，而非單個(gè)核心的計(jì)算性能。開始進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”。

后摩爾時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)主要有：面向邏輯與存儲(chǔ)的先進(jìn)數(shù)字半導(dǎo)體產(chǎn)品的三維異構(gòu)集成化；極多功能泛模擬產(chǎn)品的復(fù)雜異質(zhì)集成化；利用云端數(shù)據(jù)中心、終端綜合識(shí)別傳感應(yīng)用，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)與產(chǎn)品的持續(xù)多樣化。

目前業(yè)內(nèi)對(duì)于所謂“后摩爾時(shí)代”有三大業(yè)務(wù)方向：More Moore（深度摩爾）、More than Moore（超越摩爾）、Beyond CMOS（新器件），主要在學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)兩方面進(jìn)行探索。

其中在學(xué)術(shù)方面，近年來，學(xué)術(shù)界在晶體管方面做出諸多探索，從而繞道解決“摩爾定律”延緩問題；相對(duì)于學(xué)術(shù)界的不計(jì)成本，產(chǎn)業(yè)行業(yè)人士則認(rèn)為，企業(yè)端、產(chǎn)業(yè)端擁有很強(qiáng)的市場(chǎng)需求，對(duì)于“后摩爾時(shí)代”的落地應(yīng)用則更為實(shí)際，擁有更多的價(jià)值。

但比如Chiplet是半導(dǎo)體封裝技術(shù)，而量子，光電以及類腦等能不能在性能，通用性，以及經(jīng)濟(jì)效益上取代摩爾定律，還未有定論。

盡管當(dāng)下“摩爾定律”還沒死去，但人們已經(jīng)在尋求“摩爾定律”放緩下新的技術(shù)創(chuàng)新了。短期內(nèi)“摩爾定律”還會(huì)繼續(xù)發(fā)展，當(dāng)然不排除有一個(gè)革命性的技術(shù)來推翻定律?？赡?年、10年之后就會(huì)有突破性革命技術(shù)誕生，比如量子、光電、新的化合物等，完全推翻了我們以前用硅做芯片。但現(xiàn)在這個(gè)階段，硅芯片下的摩爾定律還是會(huì)往前走的，因?yàn)檫@是我們一個(gè)重要的技術(shù)迭代的媒介與平臺(tái)。