芯片，窮途沒路？

來源：內(nèi)容由半導(dǎo)體芯聞（ID:MooreNEWS）編譯自FT，謝謝。

在荷蘭 Veldhoven 鎮(zhèn) ASML 龐大園區(qū)的“潔凈室”內(nèi)，數(shù)十名穿著防護(hù)服的男男女女正在呼吸比手術(shù)室凈化 10,000 倍的空氣。他們正在研究芯片工具制造商最新產(chǎn)品的第一個原型：最新一代的極紫外光刻機(jī)，用于將幾乎與人類染色體直徑一樣小的晶體管“打印”到硅片上以制造半導(dǎo)體. 這款 EUV 機(jī)器將于今年以超過 3.5 億歐元的成本運(yùn)送給英特爾。

如果沒有 ASML 的光刻機(jī)，像 Apple 的 iPhone 這樣無處不在的產(chǎn)品或像為 ChatGPT 提供動力的 Nvidia 芯片一樣復(fù)雜的產(chǎn)品將是不可能的。世界上只有英特爾、三星和臺積電這三家公司能夠制造使這些產(chǎn)品成為可能的先進(jìn)處理器。而他們都依賴于 ASML 的尖端設(shè)備。

ASML 實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新確保了晶體管不斷縮小，從而使芯片更加強(qiáng)大。半導(dǎo)體晶體管密度呈指數(shù)級增長，這使得過去 50 年技術(shù)行業(yè)的進(jìn)步步伐成為可能。這一生產(chǎn)率是英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登摩爾預(yù)測的，他在 1965 年表示，芯片中集成的晶體管數(shù)量每年大約翻一番——這一預(yù)測后來被修改為每兩年一次，后來被稱為摩爾定律。

雖然英特爾本身通過其在半導(dǎo)體制造和工藝工程方面的不懈創(chuàng)新對大部分進(jìn)步負(fù)有責(zé)任，但現(xiàn)在 ASML 被視為保持摩爾定律的活力，幫助制造可容納約 500 億個晶體管的指甲蓋大小的芯片。

“是什么推動了摩爾定律？它基本上是光刻技術(shù)，”ASML 前 50 名投資者 Abrdn 的投資經(jīng)理 Jamie Mills O'Brien 說。

這種價值轉(zhuǎn)變反映在兩家公司的股票市場估值中。在阿姆斯特丹和紐約上市的 ASML 現(xiàn)在的市值大約是英特爾的兩倍，美國芯片先驅(qū)在很大程度上錯過了過去十年智能手機(jī)和人工智能領(lǐng)域的大趨勢，因?yàn)樗鼰o法跟上臺灣芯片制造商臺積電的步伐，臺積電本身就是最早采用 ASML EUV 技術(shù)的公司之一。

然而，芯片制造商現(xiàn)在面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。摩爾的預(yù)測已經(jīng)落后于計(jì)劃，現(xiàn)在的節(jié)奏接近三年。為今年的 iPhone 量產(chǎn)的最新 3 納米芯片之后，一些人認(rèn)為到 2025 年將實(shí)現(xiàn)更大的飛躍，達(dá)到 2 納米?！暗且坏┠氵_(dá)到 1.5 納米，也許是 1 納米，摩爾定律就 100% 失效了”，硅谷 Creative Strategies 的技術(shù)分析師 Ben Bajarin 說?！熬褪菦]有辦法?！?/p>

多年來，芯片工程師一直在挑戰(zhàn)摩爾定律終結(jié)的預(yù)測。但是可以封裝到硅芯片上的晶體管數(shù)量開始達(dá)到物理學(xué)的基本極限。一些人擔(dān)心制造缺陷會因此增加；開發(fā)成本已經(jīng)有了?！澳柖傻慕?jīng)濟(jì)學(xué)已經(jīng)消失了，” Bajarin說。

在過去的幾年里，這讓芯片設(shè)計(jì)人員爭先恐后地尋找其他方法來維持處理能力的進(jìn)步，從新的設(shè)計(jì)技術(shù)和材料到使用最新芯片支持的人工智能來幫助設(shè)計(jì)新芯片。

危在旦夕的不僅是維持支撐科技行業(yè)的創(chuàng)新步伐，更重要的是幾十年來持續(xù)的經(jīng)濟(jì)增長和我們?nèi)粘Ｉ畹母靖纳?。如果?AI 和“元宇宙”到清潔能源和自主交通方面長期承諾的進(jìn)步的發(fā)展要發(fā)揮其潛力，那么芯片需要不斷變得更便宜、更強(qiáng)大和更高效。

“總有一天它必須停止，”3 月去世的摩爾在 2015 年警告說，當(dāng)時他的原始論文正值其發(fā)表 50 周年?！皼]有像這樣的指數(shù)永遠(yuǎn)持續(xù)下去?！?/p>

指數(shù)增長

如果 ASML 要保持摩爾定律完好無損，它就必須花費(fèi)數(shù)十億美元——同時要實(shí)現(xiàn)不可思議的物理和工程壯舉——才能做到這一點(diǎn)。

ASML 于 1980 年代從飛利浦分拆出來，開始在其母公司位于埃因霍溫（一個居民不到 30 萬居民的小城市）的停車場的一個 portacabin 中開展業(yè)務(wù)。如今，ASML 是歐洲最有價值的科技公司，市值約為 2750 億歐元。

ASML 位于 Veldhoven 的總部距離那個小木屋只有幾公里，ASML 生產(chǎn)的機(jī)器能夠以每秒 50,000 次的速度蒸發(fā)微小的熔融錫液滴，從而產(chǎn)生 13.5 納米波長的光。然后，這種 EUV 光被真空室內(nèi)的一系列鏡子反射，變窄并聚焦，直到它到達(dá)硅片。

“摩爾定律是一種經(jīng)濟(jì)工具：每兩到三年，您可以以相同的成本將性能提高一倍，”ASML 的首席執(zhí)行官 Peter Wennink 說。但是，他補(bǔ)充說，“還有另一個摩爾定律的功能沒有人談?wù)摚耗柖傻膹?fù)雜性。每兩到三年就會有新一代的芯片。這并沒有變得更容易。復(fù)雜性也呈指數(shù)級上升?！?/p>

該公司的高數(shù)值孔徑 (NA) 機(jī)器是其巨額研發(fā)投資的最新成果，該投資在 2022 年增長了 30%，達(dá)到 33 億歐元。High NA 實(shí)質(zhì)上擴(kuò)大了數(shù)值孔徑——或角度范圍——光可以彎曲和****，使其能夠在晶圓上創(chuàng)建更小的晶體管圖案。

ASML 現(xiàn)有的 EUV 機(jī)器只有五個客戶——ZHONGGUO 臺灣的臺積電、韓國的三星和 SK 海力士，以及美國的英特爾和美光。他們都訂購了最新型號。

這家荷蘭公司對 EUV 機(jī)器的壟斷（它也是深紫外線或 DUV 機(jī)器的最大生產(chǎn)商，這對于生產(chǎn)汽車和家用電器中更大、更普遍的芯片至關(guān)重要）在華爾街贏得了粉絲。

ASML 的利潤在過去五年中翻了一番多，其股價自 2018 年年中以來相應(yīng)上漲了 300%。

盡管目前正陷入中美之間激烈的地緣政治斗爭，并且在大流行驅(qū)動的繁榮造成庫存過剩后芯片需求出現(xiàn)更廣泛的放緩，但 ASML 押注美國半導(dǎo)體市場規(guī)模將在未來幾年翻一番：從今天的 6000 億美元增至 2030 年的 1.3 萬億美元。

它有 400 億美元的積壓訂單，證明需求仍然具有彈性，并計(jì)劃到 2025 年在研發(fā)上投資超過 40 億歐元，以維持其創(chuàng)新步伐。

如果摩爾定律的終結(jié)威脅到這一切，溫寧克就很好地假裝不是這樣。他說，他對此“一點(diǎn)也不擔(dān)心”，但承認(rèn)對持續(xù)進(jìn)步的期望是 ASML 的“最大競爭對手”?！拔覀兪巧a(chǎn)過程中最昂貴的機(jī)器，”他說。“如果我們不能為客戶提供降低成本或增加價值的能力，我們的客戶就會尋找其他方法?！?/p>

擴(kuò)展摩爾定律

芯片設(shè)計(jì)人員已經(jīng)開始為這種可能性做準(zhǔn)備。英國 AI 芯片初創(chuàng)公司 Graphcore 的首席執(zhí)行官 Nigel Toon 說：“工具箱中有很多工具可以塞進(jìn)更多的晶體管?！?/p>

“摩爾定律可能已經(jīng)結(jié)束，但這并不意味著創(chuàng)新已經(jīng)消亡，”卡內(nèi)基梅隆大學(xué)執(zhí)行研究員 Hassan Khan 說，他領(lǐng)導(dǎo)美國國家關(guān)鍵技術(shù)評估網(wǎng)絡(luò)在半導(dǎo)體和供應(yīng)鏈方面的工作。

“在公共領(lǐng)域，摩爾定律和技術(shù)進(jìn)步混為一談，好像唯一推動創(chuàng)新的就是更便宜的晶體管。人類很聰明地發(fā)現(xiàn)瓶頸并找到解決方法?！?/p>

幾十年后，英特爾開創(chuàng)的“中央處理器”促成了個人電腦和智能手機(jī)等通用瑞士軍刀式計(jì)算機(jī)的誕生，“硬件和軟件之間的聯(lián)系正在回歸”，Ondrej Burkacky 說，他領(lǐng)導(dǎo)麥肯錫的半導(dǎo)體業(yè)務(wù)。

也許分布最廣的例子是 iPhone。

定制芯片是蘋果能夠繼續(xù)將其智能手機(jī)與運(yùn)行谷歌安卓操作系統(tǒng)的智能手機(jī)區(qū)分開來的重要因素。Apple 能夠與其內(nèi)部芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)特定的 iPhone 軟件功能，該團(tuán)隊(duì)目前擁有數(shù)千人。這對 Android 制造商來說更難，因?yàn)楣雀璧能浖仨氈С謹(jǐn)?shù)千種不同品牌的手機(jī)，從廉價的基本手機(jī)到三星最新的售價超過 1000 美元的旗艦機(jī)型。

Apple 對英國 Arm 設(shè)計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)芯片進(jìn)行了微調(diào)，以確保其 iPhone 具有更快的性能或更長的電池壽命。它在這方面做得非常好，以至于它能夠在 2020 年為其 Mac 用基于 Arm 的定制芯片取代英特爾。

隨著設(shè)計(jì)人員為特定任務(wù)尋求更高的性能，一些公司正在更進(jìn)一步地重新思考芯片“架構(gòu)”，或處理器設(shè)計(jì)和封裝方式的基本原理。Toon 說，像 Graphcore 這樣的公司可以“從一張白紙開始”?！澳惚仨毟嗟乜紤]適合正確應(yīng)用程序的正確架構(gòu)。”

Nvidia 現(xiàn)在是世界上最有價值的半導(dǎo)體公司，本周市值達(dá)到1萬億美元，它在為視頻游戲玩家和研究科學(xué)家提供利基圖形卡方面嶄露頭角，然后在其圖形處理單元成為每個人工智能公司的必備品時取得了成功. 圖形和 AI 都與 Nvidia 的“并行處理”技術(shù)相得益彰，該技術(shù)旨在處理重復(fù)性任務(wù)，例如渲染多邊形或運(yùn)算算法。

根據(jù)其首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人黃仁勛的說法，在 Nvidia 成立的頭 30 年里，“我們是一家可以解決幾乎不可能解決的問題的公司”。

他告訴英國《金融時報》，問題在于，為計(jì)算生物學(xué)和類似領(lǐng)域等研究部門提供服務(wù)所涉及的數(shù)量“很小，每一個都很少”?！拔覀児镜臉I(yè)務(wù)特點(diǎn)是：'我們解決了零億美元的問題'，”他說?！叭缓笸蝗婚g，摩爾定律結(jié)束了。. . 現(xiàn)在我們是‘如果你想成長’的計(jì)算公司?！?/p>

然而，芯片創(chuàng)新的重點(diǎn)更加狹窄的一個結(jié)果是，任何突破往往會受到更熱心的保護(hù)，并且更難轉(zhuǎn)移到更廣闊的市場。

“在整個 1990 年代和 2000 年代初期，每個晶體管的成本和構(gòu)建更復(fù)雜芯片的能力對整個行業(yè)來說基本上是免費(fèi)的，”Khan 說。“[現(xiàn)在] 計(jì)算不再是通用技術(shù)。. . 如果我正在為 AI 優(yōu)化芯片，那可能會使 GPT 更高效或更強(qiáng)大，但它可能不會溢出到其他經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。”

另一個關(guān)鍵的創(chuàng)新三角洲是芯片“封裝”。為了創(chuàng)建所謂的“片上系統(tǒng)”，半導(dǎo)體公司不再將每個組件都打印到同一塊硅片上，而是大談“小芯片”的潛力，這些小芯片允許混合和匹配更小的“構(gòu)建塊” ，在設(shè)計(jì)和組件采購方面開辟了新的靈活性。

英特爾將小芯片描述為“在未來十年及以后擴(kuò)展摩爾定律的關(guān)鍵”，并于去年召集了包括臺積電、三星、Arm 和高通在內(nèi)的芯片制造商和設(shè)計(jì)師聯(lián)盟，為構(gòu)建這些類似樂高的處理器制定標(biāo)準(zhǔn).

芯片設(shè)計(jì)公司 Arm 的首席架構(gòu)師 Richard Grisenthwaite 表示，與“單片”傳統(tǒng)芯片相比，小芯片的好處之一是公司可以將復(fù)雜且昂貴的處理器與舊的和更便宜的處理器結(jié)合起來。他警告說，訣竅是確保將多個組件封裝在一起的額外費(fèi)用被使用一些舊的、便宜的部件所節(jié)省的費(fèi)用所抵消。

一道物理題

但是新的想法伴隨著新的障礙。McKinsey 的 Burkacky 說，許多這些創(chuàng)新的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是它們傾向于制造更大的芯片，這反過來會為缺陷創(chuàng)造更大的表面積。

他說：“缺陷通常是一種雜質(zhì)——來自空氣或落在表面的化學(xué)過程中的顆粒，它會破壞芯片的功能。”“芯片越大，概率就越高?！?/p>

這可能對半導(dǎo)體制造商的產(chǎn)量產(chǎn)生致命影響，Burkacky 表示倆女率可能下降至 40% 至 50%，從而使成本高昂的工藝在經(jīng)濟(jì)上更具挑戰(zhàn)性。

更大、更強(qiáng)大的芯片也會消耗更多的電力，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)產(chǎn)生如此多的熱量，以至于需要完全不同且更耗能的冷卻系統(tǒng)——例如浸入式冷卻——來實(shí)現(xiàn)最佳性能。

但據(jù)一些研究人員稱，另一方面，較小的芯片也可能導(dǎo)致可靠性問題。谷歌的一個團(tuán)隊(duì)在 2021 年發(fā)表了一篇題為“Cores that don’t count”的論文，此前其數(shù)據(jù)中心工程師注意到他們稱之為埋在其龐大數(shù)據(jù)中心中的芯片的“善變”行為。

“隨著 [芯片] 制造向更小的特征尺寸發(fā)展。. . 我們觀察到在制造測試期間未檢測到的短暫計(jì)算錯誤，”由 Peter Hochschild 領(lǐng)導(dǎo)的谷歌工程師寫道。“更糟糕的是，這些失敗通常是‘無聲的’：唯一的癥狀是計(jì)算錯誤?！?/p>

Hochschild 總結(jié)說，“根本原因”是“越來越小的特征尺寸”，越來越接近硅縮放的極限，再加上“架構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不斷增加”。

“到目前為止，[維持摩爾定律] 是一項(xiàng)工業(yè)化挑戰(zhàn)，”Burkacky 說?！拔也幌氲凸肋@一點(diǎn)——這是非常棘手和困難的——但我們正在達(dá)到現(xiàn)在我們談?wù)撐锢韺W(xué)的地步?！?我們正在研究一個原子。到目前為止，在物理學(xué)中，這就是故事的結(jié)局?！?/p>

有一天，量子計(jì)算機(jī)可能會在計(jì)算能力方面實(shí)現(xiàn)長期承諾的飛躍，類似于 1960 年代開始的硅技術(shù)進(jìn)步。但即使是最樂觀的量子倡導(dǎo)者也承認(rèn)，可能需要十多年才能讓它們用于實(shí)際的日常計(jì)算任務(wù)。

與此同時，Toon 樂觀地認(rèn)為像 Graphcore 這樣的芯片將能夠開啟新的進(jìn)步。

“我的看法是。. . 我們將建造如此強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，人工智能如此強(qiáng)大，以至于我們能夠真正理解分子是如何工作的，然后我們將開始使用這些人工智能計(jì)算機(jī)來建造分子計(jì)算機(jī)，”他說。

“這種奇點(diǎn)的想法 [當(dāng) AI 超越人類智能時] 是胡說八道，但是您可以使用 AI 來創(chuàng)造下一個計(jì)算前沿的想法是非常實(shí)用的。”