中国的半导体技术超越了摩尔定律

2022-03-16 276

今年3月初，一家基于先进存储和计算集成技术的新型智能计算芯片公司“侯摩智能”宣布完成数千万美元的天使轮融资。公司创始人吴强博士表示：“人工智能算力是数字经济基础设施的核心，而驱动集成电路产业发展的摩尔定律正接近极限。芯片行业迫切需要突破传统冯·诺依曼架构的‘后摩尔’解决方案。”微电子行业内有些人理解吴强博士所说的摩尔定律，但这个“后摩尔”解决方案却引人关注。摩尔定律已被讨论了四五十年，难道真的已经失效了吗？此外，中国是否有能力打造“后摩尔”方案？这次，我们就一起来探讨一下这个问题。

过去

我们真的在遵循摩尔定律吗？

1957年，在摄影器材公司老板谢尔曼·费尔柴尔德的支持下，八位科学家创立了仙童半导体公司。七年后，仙童半导体的创始人之一摩尔提出了著名的“摩尔定律”，该定律已被应用了半个世纪：集成电路上可集成的晶体管数量每18个月翻一番。换句话说，处理器性能每两年翻一番，并且在未来几十年内都将持续增长。

（图片：仙童公司的八位创始人）

之后，摩尔离开了半导体“黄埔军校”仙童公司，与他的伙伴诺伊斯共同创立了英特尔。

说到摩尔定律，它并非自然科学定律，而是在一定程度上揭示了信息技术发展的速度。然而，在过去几十年半导体发展历程中，这条定律却非常准确。

让我们来看一组英特尔CPU开发数据：

1999年，英特尔发布了奔腾III处理器。奔腾III是一款1×1方形硅芯片，拥有9.5万个晶体管，采用英特尔250纳米工艺制造。

2000 年，英特尔发布了奔腾 Willamette，采用 180nm 制程工艺，CPU 晶体管数量为 42 万。

2002年，英特尔推出了奔腾IV（Pentium 4）处理器，其每秒可执行2.2亿次循环运算。该处理器采用英特尔130纳米工艺制造，包含55万个晶体管。

2003年，英特尔推出了迅驰（Centrino）移动计算技术以及奔腾M（Pentium M）处理器。该处理器基于一种全新的移动优化微架构，采用英特尔130纳米微米工艺制造，包含77万个晶体管。

2005 年，英特尔首款主流双核处理器奔腾 D 处理器问世，它由 230 亿个晶体管组成，采用英特尔领先的 90 纳米工艺技术制造。

2006年，英特尔酷睿2双核处理器诞生。该处理器配备超过290亿个晶体管，并采用英特尔65纳米工艺技术，在世界多家最先进的实验室中生产。

四年后，Core i7 980X 于 2010 年发布，采用 32nm 制造工艺，晶体管数量为 1.17 亿。

可以看出，到了21世纪的第一个十年，摩尔定律的预测几乎都是准确的，以至于50年后，其提出者戈登·摩尔在一次采访中说：“这只是一个大胆的推测。但后来这一推论继续推动和主导半导体行业的发展，我感到很安心。”

摩尔定律为何失效

当某种事物被称为定律时，它实际上是指对某些客观规律的科学概括，反映了在特定条件下，事物在经历特定变化过程时必然存在的联系。另一方面，在其他条件下，定律可能失效或不准确。没有任何理论能够描述宇宙中的一切，也没有任何理论能够完全正确。

摩尔定律在他提出之后实际上被更新过。在1975年的IEEE国际电子元件会议上，摩尔提交了一份修订版：在接下来的十年里，随着用于开发技术的设备变得越来越昂贵，“每年翻一番”的规律将放缓至每18个月翻一番。（编者注：这一变化形成了目前常用的说法“18个月”，最初是12月，即每年更新一次。）。

（图片：摩尔于 1975 年将法律修改为 18-24 个月）

进入21世纪的第一个十年，这条规则开始受到挑战，最早可以追溯到英特尔在2007年提出的“Tick-Tock”模式。（编者注：Tick-Tock是英特尔的处理器开发周期。它源于钟摆原理，指的是时钟每秒“滴答”一声。英特尔每两年进行一次处理器架构升级。在Tick年份，它改变处理器的制造工艺；在Tock年份，它改变制造工艺下的处理器架构。）2016 年的“PAO”模型（编者注：英特尔提出的开发周期。它包含一个三步策略，即工艺技术（PROCESS）—架构更新（ARCHITECTURE）—优化（OPTIMIZATION），其中首字母拼写为“PAO”。）酷睿处理器并没有严格遵循既定的工艺技术升级路径，甚至逐渐偏离了摩尔定律所定义的硅晶体管数量周期性指数增长规律。2015年，英特尔承认其10纳米制造工艺无法在当年年底前实现量产。

（图片：修正后的摩尔定律）

那么，从2016年以来的Core工艺来看，CPU的制造速度确实在放缓。只有“+”后缀出现了两次，这也让英特尔被业内戏称为“挤牙膏”。那么，究竟是什么阻碍了处理器制造工艺的发展呢？

首先，高等化学指出指数增长是有尽头的。lg2=0.3，这意味着晶体管的数量每十年将增长一百倍。i9 9900K 大约有 3.2 亿个晶体管。再过七十年，这个数字将超过 CPU 中原子的数量。

原子是最小的粒子，而晶体管是通过化学方法制造的，其尺寸无法超越原子。通过化学变化制造比原子更小的粒子是不可能的，这是限制硅（Si）晶体管发展的根本原因。

此外，考虑到经济因素，日益严格的制造工艺导致研发成本不断攀升，每一代更先进工艺的研发都需要耗费巨资。正如之前英特尔斥资20亿美元建造晶圆厂的消息一样，这笔巨款确实令人咋舌，也一度成为新闻热点。

摩尔定律不再仅仅是英特尔的理论，它影响着电子技术的发展。然而，与以英伟达CEO黄仁勋为代表、认为“摩尔定律已死”的厂商不同，AMD和ASML仍然相信摩尔定律依然有效。今年，ASML研发副总裁Tony Yen在接受路透社采访时也表达了对摩尔定律的认可。“很多人说摩尔定律已经失效或放缓，但我认为它并没有，也没有放缓。从ASML的角度来看，摩尔定律可能会再持续10年，甚至更久。芯片面积的缩小至少在未来10年内还会继续。”

（图片：NVIDIA 黄仁勋曾在 GTC 大会上说过“摩尔定律已经过时了”）

现在

中国也会推翻摩尔定律吗？

如果芯片产业继续按照摩尔定律发展，那么中国半导体产业将永远无法赶上以往的领先者。摩尔定律的逐渐失效为中国提供了实现半导体国产化的契机。

在一些应用芯片领域，中国企业取得了显著进展。例如，华为的麒麟芯片已跻身手机芯片行业一流水平。再比如，安图的红外探测器芯片技术水平已超越欧洲，与美国企业并驾齐驱。中国也已成为全球掌握军用红外探测器核心技术的五个国家之一。

在技术方面，14月25日，清华大学工程物理系唐传祥教授研究团队与德国团队在顶级期刊《自然》上发表了题为“稳态微聚束原理的实验验证”的研究论文，报道了一种新型粒子加速器光源“稳态微聚束”（SSMB）的首次原理验证实验。目前，清华大学正积极支持和推进国家级SSMB极紫外光源项目的建设。清华SSMB研究团队已向国家发展和改革委员会提交了“稳态微聚束极紫外光源研究装置”项目申请，并被列入“十四五”国家重大科技基础设施建设项目清单。（资料来源：清华大学）