中國半導(dǎo)體超越摩爾定律

發(fā)布時(shí)間：2022-03-17作者來源：薩科微瀏覽：1319

今年3月初，基于先進(jìn)存算一體技術(shù)的新型智能計(jì)算芯片企業(yè)“后摩智能”宣布完成數(shù)千萬美元天使輪融資。公司創(chuàng)始人吳強(qiáng)博士表示：“人工智能算力是數(shù)字化經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施的核心，而驅(qū)動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的摩爾定律已逼近極限，芯片產(chǎn)業(yè)亟需突破傳統(tǒng)馮諾依曼架構(gòu)的‘后摩爾’解決方案?！睂?duì)于吳強(qiáng)博士說的摩爾定律，部分微電子行業(yè)的人是了解的，但是這個(gè)“后摩爾”解決方案就有意思了。摩爾定律被說道了四五十年，難道真的不行了嗎？再者，中國有打造“后摩爾”的能力了？本次，一起聊聊這個(gè)話題。

過去

我們真的在遵循摩爾定律嗎

1957年，8位科學(xué)家在攝影器材公司老板謝爾曼·費(fèi)爾柴爾德的支持下，成立仙童半導(dǎo)體公司。7年后，仙童其中一位創(chuàng)始人摩爾提出了[敏感詞]的“摩爾定律”，沿用半個(gè)世紀(jì)：集成電路上能被集成的晶體管數(shù)目每18個(gè)月將翻一番。也就是說，處理器的性能每隔兩年翻一倍，并在今后數(shù)十年內(nèi)保持著這種勢頭。

（圖：仙童公司的八位創(chuàng)始人）

之后，摩爾離開半導(dǎo)體“黃埔軍?！毕赏?，與同伴諾伊斯創(chuàng)辦了Intel公司。

說到摩爾定律，它并非自然科學(xué)定律，是在一定程度揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。不過，在過去幾十年的半導(dǎo)體發(fā)展中，這個(gè)定律具有非常高的準(zhǔn)確性。

來看一組intel CPU的發(fā)展數(shù)據(jù):

1999年，intel發(fā)布Pentium III（奔騰3）處理器。Pentium III是一種1×1平方硅，有950萬個(gè)晶體管，采用Intel 250nm工藝技術(shù)制造。

2000年，intel發(fā)布Pentium Willamette(奔騰威拉米特)，生產(chǎn)工藝為180nm，cpu晶體管數(shù)量達(dá)到4200萬。

2002年，intel推出Pentium IV（奔騰4）處理器，可以實(shí)現(xiàn)每秒22億次循環(huán)操作。它使用英特爾的130nm工藝技術(shù)生產(chǎn)，包含5500萬晶體管。

2003年，intel Centrino（迅馳移動(dòng)計(jì)算技術(shù)）面世，以及Pentium M（奔騰 M）處理器。該處理器基于一種新的移動(dòng)優(yōu)化微體系結(jié)構(gòu)，使用英特爾的130nm微米工藝技術(shù)生產(chǎn)，包含7700萬個(gè)晶體管。

2005年，intel的[敏感詞]個(gè)主流雙核處理器Pentium D（奔騰D）處理器，誕生于使用英特爾領(lǐng)先的90nm工藝技術(shù)生產(chǎn)的2.3億個(gè)晶體管。

2006年，intel Core 2雙核處理器誕生。該處理器搭載了超過2.9億個(gè)晶體管，采用英特爾65nm制程技術(shù)，在世界上幾個(gè)[敏感詞]的實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)。

4年后，2010年推出的Core i7 980X，制作工藝為32nm，晶體管數(shù)量為11.7億個(gè)。

可以看到，到21世紀(jì)頭十年，摩爾定律幾乎預(yù)測準(zhǔn)確，以致50年后其提出者戈登·摩爾在接受采訪時(shí)也說道“這只是一個(gè)大膽推測。但后來這個(gè)推論不斷驅(qū)動(dòng)和主宰半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，我也就心安理得了。”

為什么摩爾定律要失效

某物被稱做定律，實(shí)際是指科學(xué)上對(duì)某種客觀規(guī)律的概括，反映事物在一定條件下發(fā)生一定變化過程的必然關(guān)系。那么反言之，定律就可能在其它條件下失效或者不準(zhǔn)確。沒有任何一種理論可以描述宇宙當(dāng)中的所有情況，也沒有任何一種理論可能完全正確。

摩爾定律在其本人提出之后，實(shí)際也進(jìn)行了一次更新。在1975年的IEEE國際電子組件大會(huì)上，摩爾提交過一次修正：在未來十年，隨著用來開發(fā)技術(shù)的機(jī)械越來越貴，“每年翻番法則”將減緩到每十八個(gè)月翻一番（編者注：這次更改也就形成了現(xiàn)在的通用說法18個(gè)月，最初是12月，即一年更新一次）。

（圖：摩爾在1975將定律更新改為18-24個(gè)月）

21世紀(jì)頭十年，這個(gè)規(guī)律開始受到挑戰(zhàn)，從intel 在2007年提出的“Tick-Tock”模型（編者注：intel的一種開發(fā)周期。Tick-Tock 源于鐘擺原理，是指時(shí)鐘每秒鐘發(fā)生的 “嘀嗒” 聲。英特爾每兩年進(jìn)行一次處理器升級(jí)架構(gòu)變動(dòng)，遇到 Tick 年則改變處理器制造工藝，而走到 Tock 年則改變制造工藝下的架構(gòu)。）到2016年的“PAO”模型（編者注：intel提出的一種開發(fā)周期。其包括三步戰(zhàn)略，為制程工藝（PROCESS） – 架構(gòu)更新（ARCHITECTURE） – 優(yōu)化（OPTIMIZATION），首字母拼寫為“PAO”），酷睿處理器并沒有嚴(yán)格按照既定的路線升級(jí)制程工藝，甚至逐漸偏離了摩爾定律所定義的硅晶體管數(shù)量的周期性指數(shù)級(jí)增長。2015年，intel承認(rèn)其10nm 制造工藝無法在當(dāng)年年底前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

（圖：調(diào)整后的摩爾定律）

然后，從2016年以來的酷睿工藝來看，CPU制程確實(shí)在放緩，僅“+”號(hào)后綴就使用了兩次，也讓intel被業(yè)界戲稱為在“擠牙膏”。那究竟是什么阻礙了處理器制作工藝呢？

首先，高等化學(xué)指出，指數(shù)級(jí)增長會(huì)有盡頭。lg2=0.3，這就意味著每十年晶體管數(shù)量要提高一百倍。i9 9900K約32億個(gè)晶體管，再過七十年數(shù)目將超過CPU內(nèi)的原子數(shù)。

原子是最小的粒子，晶體管通過化學(xué)方式印刷，無法超越原子。通過化學(xué)變化不可能將其印刷得比原子還小，這是制約硅（Si）晶體管增長的最根本原因。

再者，經(jīng)濟(jì)因素考慮來說，越來越嚴(yán)苛的制造工藝導(dǎo)致研發(fā)費(fèi)用日益增長，每開發(fā)一代更先進(jìn)的制程都會(huì)花費(fèi)巨額的資金。就像之前消息intel豪擲200億建設(shè)晶圓廠，花費(fèi)確實(shí)巨大，一時(shí)成為頭條新聞。

摩爾定律已經(jīng)不僅僅是intel一個(gè)公司的理論，它影響到電子科技的發(fā)展。但是，與以Nvidia CEO黃仁勛為代表的廠商認(rèn)為“摩爾定律已死”不同，AMD和ASML等仍然相信摩爾定律仍然生效。今年，ASML開發(fā)副總裁Tony Yen在接受《路透社》采訪時(shí)，仍表達(dá)了對(duì)摩爾定律的認(rèn)可，“許多人說摩爾定律失效或減速，但我認(rèn)為沒有，也沒有減速。就ASML的看法，摩爾定律可能還會(huì)再延續(xù)10 年，甚至更長。且芯片面積微縮未來還可持續(xù)至少10年?！?/span>

（圖：NVIDIA黃仁勛曾在GTC稱“摩爾定律已終結(jié)”）

現(xiàn)在

中國也要推翻摩爾定律？

芯片行業(yè)如果一直按照摩爾定律推進(jìn)的話，那么中國半導(dǎo)體將永遠(yuǎn)趕不上之前的選手，而摩爾定律的逐漸失效給了中國國產(chǎn)化半導(dǎo)體一個(gè)機(jī)遇。

在一些應(yīng)用芯片領(lǐng)域，中國企業(yè)有了不小起色。比如華為海思麒麟已躋身手機(jī)芯片行業(yè)[敏感詞]梯隊(duì)，比如高德紅外探測器芯片，在技術(shù)水平上已經(jīng)超過歐洲，比肩美國企業(yè)。中國也成為全球五個(gè)掌握軍用紅外探測器核心技術(shù)的國家之一。

工藝方面，2月25日，清華大學(xué)工程物理系教授唐傳祥研究組與德國團(tuán)隊(duì)在[敏感詞]期刊《自然》（Nature）上發(fā)表了題為“穩(wěn)態(tài)微聚束原理的實(shí)驗(yàn)演示” 的研究論文，報(bào)告了一種新型粒子加速器光源“穩(wěn)態(tài)微聚束”（Steady-state microbunching，SSMB）的[敏感詞]原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。目前，清華大學(xué)正積極支持和推動(dòng)SSMB EUV光源在國家層面的立項(xiàng)工作。清華SSMB研究組已向國家發(fā)改委提交“穩(wěn)態(tài)微聚束極紫外光源研究裝置”的項(xiàng)目建議書，申報(bào)列為“十四五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。（消息來源：清華大學(xué)）