2029年，半導(dǎo)體行業(yè)「奇點」來臨

當筆者在讀到美國發(fā)明家雷·庫茲韋爾（Ray Kurzweil）的著作《后人類》時，我意識到：「能力呈指數(shù)級提高的人工智能（AI）將在 2045 年惠及全人類?！?/p>本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202501/466471.htm

當人工智能（AI）超過人類智力時，技術(shù)奇點就會到來。

我想：一個類似于科幻電影《終結(jié)者》那樣的世界，軍事計算機「天網(wǎng)」將人類視為敵人并發(fā)動核戰(zhàn)爭的世界可能即將到來。

庫茲韋爾在接受記者采訪時表示：「當我宣布人工智能超越人類的預(yù)測時，包括后來獲得諾貝爾獎的研究人員在內(nèi)，沒有人同意還需要 100 年……到 2029 年，人工智能將擁有比人類更高的智力……現(xiàn)在連 2029 年的預(yù)測都被認為是保守的。」

實際上，2024 年諾貝爾物理學(xué)獎將頒發(fā)給兩位發(fā)現(xiàn)并發(fā)明了 AI 基礎(chǔ)「機器學(xué)習(xí)」的研究人員；諾貝爾化學(xué)獎授予三位使用 AI 成功預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的科學(xué)家。也就是說，有五位人工智能相關(guān)研究人員入選 2024 年諾貝爾獎獲得者。

在《后人類》中，還需要 100 年的事情，在庫茲韋爾預(yù)測后的 19 年就發(fā)生了。英偉達的 GPU 等芯片為 AI 的進步作出了重大貢獻。

在本文中，我們會先來預(yù)測由于 AI 產(chǎn)生的半導(dǎo)體需求，2030 年（奇點已經(jīng)到來后）全球半導(dǎo)體市場將增長多少。之后，我們以每個封裝（芯片封裝）的每秒浮點運算次數(shù)作為指標，可以發(fā)現(xiàn)摩爾定律在加速。

此外，摩爾定律加速發(fā)展的因素之一是晶體管的持續(xù)變小，而 ASML 的 EUV 光刻機在持續(xù)地做出貢獻。最后，筆者會預(yù)測到 2050 年時候的全球半導(dǎo)體市場，并談?wù)勎业南敕ā?/p>

從某種意義上來說，我們已經(jīng)達到了技術(shù)奇點。

2025 年到 2030 年，全球半導(dǎo)體市場

圖 1 各類半導(dǎo)體出貨量及半導(dǎo)體總量預(yù)測 來源：ASML

上圖是 2024 年在 ASML 投資者日是展示的 PPT，主題是「終端市場、晶圓需求和光刻支出」。這張圖展示了從 2025 年到 2030 年中，各種電子設(shè)備（例如智能手機、個人電腦、消費者、有線和無線基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和存儲、汽車和工業(yè)設(shè)備）的增長量，同時還有全球半導(dǎo)體行業(yè)的增長情況。從圖中可以看出，半導(dǎo)體市場能夠增長多少。

圖 1 中，展示了兩種類型的預(yù)測趨勢：CMD 2022 和 CMD 2024。CMD 2022 是基于 2022 年對 2025 年至 2030 年半導(dǎo)體市場的預(yù)測；CMD 2024 則是基于 2024 年對 2025 年至 2030 年半導(dǎo)體市場的預(yù)測。

這兩種預(yù)測方式的區(qū)別在于，有沒有反映了生成式 AI 帶來的全球繁榮、有沒有考慮 2023—2024 年的半導(dǎo)體衰退。

2022 年 11 月 30 日，Open AI 發(fā)布了 ChatGPT，因此基于 CMD 2022 的預(yù)測沒有考慮生成的 AI 的影響。由于半導(dǎo)體行業(yè)在 2023-2024 年進入周期衰退，因此 CMD 2022 中沒有考慮該影響，僅在 CMD 2024 中反映了周期衰退的影響。

了解了以上情況，再仔細看圖 1，可以發(fā)現(xiàn) CMD 2022 中除服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和存儲之外的電子設(shè)備的半導(dǎo)體出貨量，都將比 CMD 2024 更大，不過增速都是個位數(shù)，增幅不是很大。

三大領(lǐng)域，推動 2025 年后半導(dǎo)體市場發(fā)展

服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心、存儲都將在 2024 年后推動半導(dǎo)體市場的發(fā)展。基于 CMD 2024 的各種電子設(shè)備半導(dǎo)體的預(yù)測如下。

智能手機半導(dǎo)體的市場到 2025 年將達到 1,490 億美元，預(yù)計將以每年 5% 的速度增長，到 2030 年將達到 1,920 億美元。

PC 半導(dǎo)體在 2025 年市場 920 億美元，將以每年 4% 的速度增長，到 2030 年達到 1120 億美元。

消費半導(dǎo)體的市場在 2025 年達到 700 億美元，將以每年 3% 的速度增長，到 2030 年達到 830 億美元。

用于有線和無線基礎(chǔ)設(shè)施的半導(dǎo)體市場到 2025 年將達到 530 億美元，將以每年 6% 的速度增長，到 2030 年將達到 700 億美元。

汽車半導(dǎo)體2025 年市場 760 億美元，將以每年 9% 的速度增長，到 2030 年達到 1140 億美元。汽車半導(dǎo)體的增長率位居第二，僅次于服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心及存儲半導(dǎo)體。

工業(yè)半導(dǎo)體2025 年市場 840 億美元，將以每年 7% 的速度增長，到 2030 年達到 1200 億美元。

在預(yù)測中，唯一預(yù)計 CMD 2024 增長速度快于 CMD 2022 的半導(dǎo)體行業(yè)是服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和存儲的半導(dǎo)體，其規(guī)模將從 2025 年的 1560 億美元以每年 18% 的速度增長，到 2030 年達到 3610 億美元。用于服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和存儲的半導(dǎo)體在各種電子設(shè)備中增長率最高，2030 年的預(yù)測值也最高。

據(jù)預(yù)測，到 2025 年，全球半導(dǎo)體市場將達到 6790 億美元的規(guī)模，并將以每年 9% 的復(fù)合增長率持續(xù)擴張，預(yù)計至 2030 年，該市場價值將攀升至 1.51 萬億美元。

在全球半導(dǎo)體市場中，各細分領(lǐng)域的市場份額從高至低依次為：服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心及存儲占比 34%，智能手機占 18%，工業(yè)用途占 11%，汽車領(lǐng)域占 10%，個人電腦約占 10%，消費者領(lǐng)域占 7%，有線和無線基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域占 6%。

基于上述分析，服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心以及存儲領(lǐng)域所使用的半導(dǎo)體將成為 2025 年至 2030 年期間全球半導(dǎo)體市場的主要推動力。由于 AI 半導(dǎo)體也包含在其中，可以得出結(jié)論：AI 將成為半導(dǎo)體市場增長的主要驅(qū)動力。

接下來，探討的問題是：驅(qū)動全球市場的 AI 半導(dǎo)體的能力將如何提升？

兩年翻一番的摩爾定律

迄今為止，摩爾定律通常被理解為每兩年，單個芯片上集成的晶體管數(shù)量將翻一番。然而，在未來，「單個芯片」的概念可能將失去其重要性，而「單個封裝」的重要性將日益凸顯。因為將各種芯片集成到單個封裝中并作為單個系統(tǒng)運行的「小芯片」（Chiplet）將成為主流。

圖 2 ASML 新任 CEO 在 ASML 投資者日上展示的 PPT

如果我們將單個封裝的晶體管數(shù)量作為圖表的縱軸，則可以預(yù)測晶體管數(shù)量每兩年增加一倍的「摩爾定律」將持續(xù)下去（圖 2）。因此，到 2030 年，半導(dǎo)體的每個封裝中將集成一萬億個晶體管。換句話說，摩爾定律仍然成立。

此外，如果我們在圖表的縱軸上繪制「單個封裝」的計算速度，我們可以看到帶來「技術(shù)奇點」的新視角。

以計算速度為縱軸的「新摩爾定律」

圖 3 2010 年代，單個封裝計算速度 2 年內(nèi)增長 16 倍（能耗 2 年內(nèi)增長 5 倍） 來源：ASML

倘若我們在垂直坐標軸上描繪出單個封裝下的計算處理速度，便能觀察到自 21 世紀 10 年代起，該速度經(jīng)歷了顯著的變革（參見圖 3 上半部分）。由于人工智能的需求，計算速度每兩年增加一倍，預(yù)計兩年內(nèi)將增加 16 倍。這就是新的摩爾定律。

另一方面，從縱軸看單個封裝的能耗，兩年內(nèi)下降了 60%，但由于人工智能的需求，兩年內(nèi)將增加五倍（參見圖 3 下半部分）。這是很危險的，單個封裝的能耗增加讓芯片產(chǎn)生了巨大的熱量。

作為解決這一問題的對策，光通信將變得至關(guān)重要。目前，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務(wù)器之間或容納服務(wù)器的機架之間的通信正在使用光而不是電。未來，需要通過光學(xué)連接來連接機架中的各種芯片。

雖然能源消耗存在很大問題，但是新摩爾定律帶來的高性能計算機是如何出現(xiàn)的呢？

超級計算機，每秒能執(zhí)行 200 百億次

圖 4 生成式 AI 推動摩爾定律，但成本飆升 來源：ASML

圖 4 是超級計算機 Aurora，它由美國能源部 (DOE) 贊助，由英特爾和惠普企業(yè) (HPE) 開發(fā)。

Aurora 的開發(fā)成本為 5 億美元，初始計算速度為 2 exaFLOPS/s（每秒 200 百億次計算），但截至 2024 年 5 月，已達到 1.012 exaFLOPS。這款 Aurora 共有 85K 個 CPU 和 GPU、230PB（PB）內(nèi)存和 230PB 存儲。簡而言之，Aurora 就像是一個非常先進的芯片。

以 Aurora 為代表的超級計算機正在創(chuàng)造新的摩爾定律，即「2 年內(nèi)計算速度提高 16 倍?！梗ǖ澈蟮膯栴}是開發(fā)成本太高，而且消耗大量能源）

這種超級計算機集成了大量的先進的邏輯芯片、DRAM、SSD 以及其他半導(dǎo)體組件。ASML 的 High NA EUV 光刻機可以用來生產(chǎn)這類尖端半導(dǎo)體產(chǎn)品。

接下來，我們一起看看 EUV 光刻機如何將芯片制程進一步縮小的？

先進邏輯芯片路線圖

圖 5 到 2039 年的先進邏輯路線圖 來源：ASML

圖 5 展示了到 2039 年的邏輯芯片路線圖。截至 2024 年，臺積電能夠量產(chǎn)的最頂尖的節(jié)點是「N3」，晶體管為 FinFET，精細互連間距為 23 nm，采用 NA 為 0.33 的 EUV 光刻機（Low NA）。

在技術(shù)奇點到來的 2029 年，芯片工藝制程的技術(shù)節(jié)點是「A10」，晶體管將是第 3 代 Nanosheet（Gate All around / GAA），精細互連間距將是 18 nm，采用 NA 為 0.55 的 EUV 光刻機（High NA）。并且晶體管背面供電的背面供電網(wǎng)絡(luò)（BSPDN），有希望能夠投入實際使用。

圖 6 從 Low NA 到 High NA 來源：ASML

圖 6 展示了什么時候開始使用 Low NA EUV 光刻機和 High NA EUV 光刻機。Low NA EUV 光刻機是在 2020 年開始在 N5 節(jié)點上正式使用，臺積電的「N7+」首次嘗試，此外，Low NA 雙圖案技術(shù)是在 N5 至 N3 工藝節(jié)點中得到應(yīng)用。

依據(jù) ASML 的預(yù)測，2027 年將開始采用 High NA 技術(shù)于 A14 節(jié)點，而 A10 節(jié)點左右將開始采用 High NA 雙圖案化技術(shù)。

那么，先進的邏輯芯片和 DRAM 中，EUV 實際會應(yīng)用到多少種掩模上呢？

EUV 的使用量有多少？

圖 7 2030 年先進邏輯和 DRAM 將使用多少層 EUV 和 High NA？ 來源：ASML

圖 7 顯示了從 2025 年到 2030 年，先進邏輯和 DRAM 將使用多少層 EUV。

一開始，用于先進邏輯的 EUV 層預(yù)計到 2025 年將達到 19 至 21 層，然后以每年 10% 至 20% 的速度增長，并在 2030 年增加至 25 至 30 層。其中，ASML 認為 High NA 將會是 4 到 6 層（圖 7 左圖）。

之后，將購買先進DRAM 的 EUV 層數(shù)預(yù)計將在 2025 年達到 5 層，以每年 15%～25% 的速度增長，并在 2030 年達到 7-10 層。其中，ASML 預(yù)測 High NA 將為 2 至 3 層（圖 7 右圖）。

關(guān)于 EUV 的總層數(shù)，我想「這就是它的本質(zhì)嗎？」筆者對于 High NA 的層數(shù)感到有點奇怪，尤其是對于先進 DRAM，筆者懷疑 High NA 可能不會被使用。因為 DRAM 應(yīng)該會在 2030 年左右成為三維形式（類似 NAND），如果 3D DRAM 量產(chǎn)的話，我認為不只是 High

NA，甚至 Low NA 也不需要這么多層。

話雖如此，我們還是來看看 EUV 的技術(shù)進展。

High NA 和 Low NA 的路線圖

圖 8 Low NA (0.33NA) 和 High NA (0.55NA) EUV 路線圖 來源：ASML

2024 年，ASML 發(fā)布了 Low NA 的最新型號 NXE：3800E。NXE:3800E 的吞吐量現(xiàn)在為 220 片/小時，比之前型號 NXE:3600D 的 160 片/小時有了明顯改進。此外，下一代型號 NXE：4000F 的目標是 250 片/小時，NXE：4200G 的目標是 280 片/小時或更多。

EUV 吞吐量指標發(fā)生了變化。以前，吞吐量以每天的曝光次數(shù)（晶圓/天）來表示，但從現(xiàn)在開始，使用每小時的曝光次數(shù)（晶圓/小時）。實際上，這個指標更容易理解。

再來看 High NA，ASML 的目標是 2025 年實現(xiàn)量產(chǎn) EXE:5200B。這是繼 EXE:5000 之后的下一代 High NA EUV 光刻機。預(yù)計吞吐量將從 EXE:5000 的 110 片/小時增加到 175 片/小時。

此外，計劃于 2027 年推出吞吐量超過 185 片/小時的 EXE:5200C，并于 2029 年推出吞吐量超過 195 片/小時的 EXE:5400D。2032 年，NA 為 0.75 的 Hyper NA 也即將出現(xiàn)。這樣，EUV 就從 0.33NA（低 NA）、0.55NA（高 NA）和 0.75NA（超 NA）繼續(xù)發(fā)展。

ASML 正在全力開發(fā)。

通用 EUV 模塊化和吞吐量提升

圖 9 低 NA (0.33) 到高 NA (0.55) 到超 NA (0.75) 來源：ASML

如圖 9 所示，光源、標線臺、晶圓臺等是 Low NA、High NA 和 Hyper NA 的通用模塊，而各代專用模塊僅針對我制作的鏡頭等光學(xué)系統(tǒng)開發(fā)。

在 2024 年推出的低 NA NXE:3800E 中，ASML 巧妙地引入了一項關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)的核心在于，ASML 為極紫外光（EUV）光源設(shè)計了一個通用模塊，旨在實現(xiàn)從低數(shù)值孔徑（NA）到高數(shù)值孔徑乃至超高數(shù)值孔徑（超 NA）的持續(xù)技術(shù)演進。

通過這種方式，NXE:3800E 的開發(fā)和發(fā)貨目標是在未來 15 年或更長時間內(nèi)使用通用模塊。這是 ASML 非常典型的策略。

圖 10 吞吐量持續(xù)提高 來源：ASML

未來吞吐量將持續(xù)提升。對于低數(shù)值孔徑（NA）的設(shè)備，ASML 計劃將 NXE:3800E 的產(chǎn)能提升至每小時超過 200 片晶圓，目標是在 2030 年之前達到每小時 300 片晶圓。此外，對于高數(shù)值孔徑（NA）設(shè)備，目標是到 2030 年將產(chǎn)能從第一代 EXE:5000 的每小時 110 片晶圓提升至超過 200 片晶圓。

未來全球半導(dǎo)體市場預(yù)測

從前文可以看到，晶體管還會在未來的 15 年時間內(nèi)繼續(xù)微縮下去，而這種不斷的小型化將很可能導(dǎo)致新摩爾定律的實現(xiàn)，其中每個封裝的計算速度在兩年內(nèi)提高 16 倍。

圖 11 自 1990 年以來，全球半導(dǎo)體市場大約每 10 年翻一番 來源：根據(jù) WSTS 數(shù)據(jù)和作者預(yù)測創(chuàng)建

在這里，我們再次對全球半導(dǎo)體市場的未來做出預(yù)測。此前，筆者曾寫過，全球半導(dǎo)體市場將在 10 年內(nèi)大約翻一番。

2022 年至 2024 年間，全球半導(dǎo)體市場規(guī)模約為 6000 億美元，十年后到 2032 年將翻一番，達到 1.2 萬億美元。十年后，即 2042 年，這一數(shù)字將翻一番，達到 2.4 萬億美元，再過十年，即 2052 年，這一數(shù)字將翻倍，達到 4.8 萬億美元（圖 12）。

圖 12 如果 10 年內(nèi)翻一番，2052 年將達到 4.8 萬億美元 來源：根據(jù) WSTS 數(shù)據(jù)和作者預(yù)測創(chuàng)建

奇點已經(jīng)到來了嗎？

在做出這些半導(dǎo)體市場預(yù)測時，筆者假設(shè)奇點將出現(xiàn)在 2045 年，即 20 多年后的遙遠未來。不過，正如開頭介紹的那樣，庫茲韋爾先生表示，奇點將在 2029 年到來，比原計劃提前了 16 年。

寫到這里，筆者腦海中略過了一個想法：奇點不是已經(jīng)在這里了嗎？

第一個跡象是，如圖 3 所示，單個封裝的計算速度從 2010 年代的「兩年內(nèi)翻倍」迅速提高到 2020 年代的「兩年內(nèi)翻了 16 倍」。第二個跡象是生成式 AI 的功能不斷增加和廣泛使用，例如 ChatGPT。

我此前認為奇點是電影《終結(jié)者》中出現(xiàn)的軍用計算機「天網(wǎng)」具有自我意識，「機器將人類視為敵人并在微秒內(nèi)發(fā)動核攻擊」的情況。

然而，實際的奇點并不是這樣的。ChatGPT 會遍布全世界，很多人都會使用和依賴這種生成式 AI，這不是滲透到大腦中的東西嗎？如果這樣想的話，是不是可以說奇點已經(jīng)到來了呢？

在撰寫這篇手稿時，筆者使用了生成式 AI。至少對我來說，奇點可能即將到來。