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被英伟达掌门人“说”死了,摩尔定律该不该被判“死刑”?

2017/09/27
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法官:“请问你为什么要控告摩尔定律?”

酷爱皮夹克的英伟达掌门人非常坚定的回答:“设计人员无法再创造出可以实现更高指令级并行性的 CPU 架构。晶体管数每年增长 50%,但 CPU 的性能每年仅增长 10%。摩尔定律已经终结!”[1]

整个法庭瞬间沸腾了起来,而站在被告席上的名叫“摩尔定律”的 50 几岁高龄的老头显得异常平静,显然这已经不是第一次被人控诉了。

不过英特尔坐不住了:“报告法官大人,英伟达这是在侧面嘲讽我们挤牙膏,其实我们是有苦衷的……”

法官拿起法槌敲击了几下:“反驳无效!请问被告的辩护律师有什么要说的?”

英特尔高级院士、技术与制造事业部制程架构与集成总监 MarkBohr 表示:“在晶体管微缩方面,英特尔一直在努力,从 2007 年的 45 纳米开始到 32 纳米以及 22 纳米,英特尔让每一代产品缩小大约 38%,而发展到 14 纳米和 10 纳米之后,由于采用超微缩技术,英特尔让芯片面积缩小大约 55%。10 年内依然看不到摩尔定律的终点。”[2]

双方的辩词引得现场议论纷纷,法官再次拿起法槌敲击几下:“请肃静!请各位依次表达自己的观点。”

一位白发的长者缓缓站了起来,是台积电的张忠谋:“摩尔定律差不多要死亡,大概苟延残喘 5~6 年,10 纳米不需要极紫外光(EUV)技术,但 7 纳米若 EUV 不成熟,会是个大问题。”[3]

说到 EUV 技术与摩尔定律的关系,法官补充道:“光刻技术要数现代集成电路上的第一大难题,虽说 EUV 技术近年来成为了英特尔、台积电等芯片公司追捧的新宠,但到底能不能拯救摩尔定律还有待验证。”[4]

当大伙还沉浸在 EUV 能不能拯救摩尔定律的时候,三星掏出了自己的最新半导体工艺计划图:2017 年试产 8nm 工艺,2018 年量产 7nm 工艺,2019 年研发 6nm、5nm 工艺。到 2020 年,工艺制程将达到 4nm。[5]

 

之前一直看透了世人争论的摩尔定律此时突然有些激动,却欲言又止,毕竟这也只还是计划,自己的生死并不能靠计划图来拯救。

曾与三星搭档的 IBM 也表示,自己和三星联合开发的 nanosheets 技术能实现全球首款 5nm 芯片制造工艺,简单而言,就是可以在单个芯片上安装 300 亿一个晶体管,而这个芯片的尺寸仅仅为指甲大小。

但这并没有引起现场的兴奋,在去年(2016 年)美国团队就宣布研制出的 1 纳米晶体管。不过据研究团队介绍,这个研究还处于一个很早期的阶段。实验室团队还没有一个可行性方案大批量制造。

这时候从门口走来一位高龄老者,现场不知道是谁叫了一声:“是戈登·摩尔!”显然这一声打破了现场刚刚换来的平静。

法官第三次拿起法槌,敲击桌面以示现场安静:“请肃静!下面请戈登·摩尔陈诉。”

戈登·摩尔却一脸轻松:

“我从来没有准确的预测它的终结,我说过我无法看到比下一个世代(的芯片)更远的未来。那儿似乎有一堵穿不透的墙,但这堵墙一直在往后退。我很惊讶于工程师们有如此强大的创造力能够在看起来只能完全停滞的情况下找到新的出路。... 我记得一次霍金在硅谷的时候,有人问他怎么看集成电路技术所面临的极限。虽然不是他的研究领域,但他总结了两点:光的有限速度和材料的原子特性。我觉得他是对的。我们已经接近原子极限,而且我们也利用了一切优势来促使速度提升,但是光速会最终限制性能。这些基本的问题目前看来依然没有很好的解决方案,而在接下来的几个世代中我们却将要直面它们。

我认为这最终将是一个技术消亡的问题,而不是一个经济问题。当他们不能做得更小的时候,人们仍将在相当长一段时间里继续从产品中压低成本。但我敢肯定,那时就是最终时刻来临的时候了。”[6]

法官打趣道:“你能不能回答一下怎样才能摆脱这个烂摊子?”

戈登·摩尔:“Whoo. Well, 你总是可以办理退休然后搬到夏威夷来~”[6]

摩尔定律在听到这些话时,越发平静,像是已经透视了自己未来的死亡,此时他的脑海中像过电影一样浮现自己的大半辈子。

 

回忆录

1929 年 1 月 3 日,戈登·摩尔出生在加州旧金山的佩斯卡迪诺。父亲没有上过多少学,17 岁就开始养家,做一个小官员,母亲只有中学毕业。高中毕业后他进入了著名的加州伯克利分校的化学专业,实现了自己的少年梦想。

1950 年,摩尔获得了学士学位,接着他继续深造,于 1954 年获得物理化学博士学位。

1965 年 4 月 19 日,《电子学》杂志(Electronics Magazine)第 114 页发表了摩尔(时任仙童半导体公司工程师)撰写的文章〈让集成电路填满更多的组件〉,文中预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。

1975 年,摩尔在 IEEE 国际电子组件大会上提交了一篇论文,根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正,把“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”,而普遍流行的说法是“每 18 个月增加一倍”。但 1997 年 9 月,摩尔在接受一次采访时声明,他从来没有说过“每 18 个月增加一倍”,而且 SEMATECH 路线图跟随 24 个月的周期。

戈登·摩尔博士对此表示:对这一点最了解的是我的一个朋友 Carver Mead,当时他是加州理工大学教授,是他把我的发现称作摩尔定律。不知怎么的这一名称就流传下来了。几十年来,我甚至不愿使用这一说法,但最终我还是习惯了这个名称。

在摩尔定律提出后的 30 年里,集成电路芯片的性能的确得到了大幅度的提高;但另一方面,Intel 高层人士开始注意到芯片生产厂的成本也在相应提高。1995 年,Intel 董事会主席罗伯特·诺伊斯预见到摩尔定律将受到经济因素的制约。同年,摩尔在《经济学家》杂志上撰文写道:“现在令我感到最为担心的是成本的增加,…这是另一条指数曲线”。他的这一说法被人称为摩尔第二定律。

1998 年时,台积电董事长张忠谋曾表示,摩尔定律在过去 30 年相当有效,未来 10 到 15 年应依然适用。

多亏有了摩尔定律,我们今天才能把智能手机放在口袋或钱包里,今天智能手机的性能比 1965-1995 年里最大的电脑还要强劲。没有摩尔定律就没有超薄笔记本电脑,也不可能产生足以绘制整个基因组、或是设计复杂药物的高性能计算机流媒体视频、社交媒体、搜索功能、云——没有摩尔定律,这些都不可能产生。

在制造工艺到达 28 nm 以前,制造工艺的每一次进步都能使芯片制造厂商获得巨额利润。不过,在制造工艺达到 14/16 nm 之后,技术的进步反而会使芯片的成本有所上升——在 Intel 最先研发出 14 nm 制造工艺时,曾有消息称其掩膜成本为 3 亿美元。当然,随着时间的推移和台积电、三星掌握 14/16nm 制程,现在的价格应该不会这么贵。但英特尔正在研发的 10 nm 制程,根据 Intel 官方估算,掩膜成本至少需要 10 亿美元。新制造工艺之所以贵,一方面是贵在新工艺高昂的研发成本和偏低的成品率,另一方面也是因为光刻机、刻蚀机等设备的价格异常昂贵[7]。

最后判决

成本两个字似乎成了摩尔定律最后的死刑书,不过它还是将眼光投向了英特尔,“只有偏执狂才能生存”的理念一直是英特尔所尊奉的。

虽然现场争辩许久,最后法官依旧判给了摩尔定律无罪释放。当摩尔定律安静地从法庭走出来的时候,遭到了很多媒体的堵截:“摩尔定律先生,你未来有什么打算?”摩尔定律并没有回答,只是从口袋里掏出一张纸。

·  “More Moore”做的是想办法沿着摩尔定律的道路继续往前推进。

·  “More than Moore”做的是最大可能的挖掘现有工艺节点的潜力,延续每个工艺节点的生命周期。

·  “Beyond CMOS”做的是发明在硅基 CMOS 遇到物理极限时所能倚重的新型器件

备注:

[1] 来自黄仁勋昨天在 GTC China 上的演讲。

[2] 来自 2017 年 9 月 19 号英特尔在北京举办“精英制造日”活动上,MarkBohr 的发言。

[3] 2014 年 3 月董事长张忠谋 27 日出席中国台湾半导体产业协会(TSIA)年会时的发言。

[4] 邹志同 . EUV 光刻技术与摩尔定律[J]. 集成电路应用, 2017, 34(3):50-52.

[5] 2017 年 5 月 12 日,三星宣布代工部门独立,并公布了最新半导体工艺计划。

[6] 来自 IEEE Spectrum 摩尔定律 50 周年的专题采访。

[7] 黄瑞峰 . 从 14nm 缩减到 1nm 看晶体管制程的物理极限[J]. 集成电路应用, 2017(2):41-43.

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