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?？蠈懥艘黄麨椤白尲呻娐诽顫M更多的元件”的短文，提出了基于實踐數(shù)據(jù)觀察的著名預(yù)測“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個月就翻一番，從而以指數(shù)方式提高計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力。

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

AI時代對摩爾定律的影響

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”。隨著加速計算和人工智能時代的到來，摩爾定律的基本發(fā)展動能已經(jīng)走到盡頭，以類似成本實現(xiàn)兩倍業(yè)績預(yù)期對于芯片行業(yè)來說已成為過去式。

從定律狹義角度來說，摩爾定律確實是死了。因為摩爾定律的定義是集成電路在單位成本及功耗變動不大的條件下，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比成本提升。但目前的發(fā)展已經(jīng)走到性價比裹足不前，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之一是借助GPU所帶來的加速計算，“解決那些摩爾定律無法解決的，或者說在摩爾定律時代是不可能被解決的問題?！?/p>

黃仁勛將英偉達(dá)類比為臺積電，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計算機(jī)服務(wù)，直接借助英偉達(dá)DGX Cloud的AI超級計算云服務(wù)，通過一個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。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GPU將推動AI性能實現(xiàn)逐年翻倍，這不僅包含工藝節(jié)點，還有系統(tǒng)體系、軟件算法、接口設(shè)計、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葘崿F(xiàn)指數(shù)級提升。

“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，性能體驗提升并不會出現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

其實早在2015年，摩爾定律50周年之際，退居幕后做慈善的戈登·摩爾接受紐約時報專欄作家托馬斯·弗里德曼采訪時直言：“摩爾定律”不會永遠(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時代的摩爾定律或許正在孕育中，這可能是對戈登·摩爾最好的致敬。

摩爾定律的極限在哪里？

摩爾定律實現(xiàn)的維度主要分為制造、設(shè)計、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，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、高昂的價格讓越來越多的企業(yè)停下對先進(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)點提出來的，工藝節(jié)點（nodes）是指芯片中MOS晶體管（一種金屬氧化物半導(dǎo)體型場效應(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)點是前一代的0.7倍（ITRS規(guī)劃的最合適倍數(shù)）時，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個月，工藝節(jié)點就會發(fā)展一代。

毫無疑問的是，摩爾的預(yù)測能力在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的中早期（2000年之前）至少持續(xù)了20年，推動了整個集成電路產(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改變，原來用數(shù)字代表工藝的提升，那個數(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3nm的尺寸。

并且隨著材料極限的接近，摩爾定律終將失效。因為芯片中連接晶體管的線寬如果只有1nm（幾個原子大?。?，其材料性質(zhì)會發(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間表可以明顯看出三個獨立的階段。

? 第一階段：當(dāng)晶體管密度由登納德定標(biāo)控制時，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，屆時管芯尺寸達(dá)到實際極限。

? 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)、連接選項和封裝進(jìn)步（小芯片等），所有行業(yè)都必須從設(shè)計到制造再到過程控制和測試，才能實現(xiàn)第三階段的變化。

實際上，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，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)場可編程門陣列）芯片等，以提升芯片吞吐量性能，而非單個核心的計算性能。開始進(jìn)入“后摩爾時代”。

后摩爾時代的發(fā)展趨勢主要有：面向邏輯與存儲的先進(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)對于所謂“后摩爾時代”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；相對于學(xué)術(shù)界的不計成本，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)的市場需求，對于“后摩爾時代”的落地應(yīng)用則更為實際，擁有更多的價值。

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”還會繼續(xù)發(fā)展，當(dāng)然不排除有一個革命性的技術(shù)來推翻定律?？赡?年、10年之后就會有突破性革命技術(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)在這個階段，硅芯片下的摩爾定律還是會往前走的，因為這是我們一個重要的技術(shù)迭代的媒介與平臺。