中國的半導體技術超越了摩爾定律

2022-03-16 274

今年3月初，一家基於先進儲存和運算整合技術的新型智慧運算晶片公司「侯摩智慧」宣布完成數千萬美元的天使輪融資。公司創辦人吳強博士表示：「人工智慧算力是數位經濟基礎設施的核心，而驅動積體電路產業發展的摩爾定律正接近極限。晶片產業迫切需要突破傳統馮諾依曼架構的『後摩爾』解決方案。」微電子產業內有些人理解吳強博士所說的摩爾定律，但這個「後摩爾」解決方案卻引人關注。摩爾定律已被討論了四、五十年，難道真的已經失效了嗎？此外，中國是否有能力打造「後摩爾」方案？這次，我們就一起來探討這個問題。

過去

我們真的在遵循摩爾定律嗎？

1957年，在攝影器材公司老闆謝爾曼·費爾柴爾德的支持下，八位科學家創立了仙童半導體公司。七年後，仙童半導體的創始人之一摩爾提出了著名的“摩爾定律”，該定律已被應用了半個世紀：集成電路上可集成的晶體管數量每18個月翻一番。換句話說，處理器效能每兩年翻一番，並且在未來幾十年內都將持續成長。

（圖：仙童公司的八位創辦人）

之後，摩爾離開了半導體「黃埔軍校」仙童公司，與他的夥伴諾伊斯共同創立了英特爾。

說到摩爾定律，它並非自然科學定律，而是在某種程度上揭示了資訊科技發展的速度。然而，在過去幾十年半導體發展歷程中，這條定律非常精確。

讓我們來看一組英特爾CPU開發數據：

1999年，英特爾發布了奔騰III處理器。奔騰III是一款1×1方形矽晶片，擁有9.5萬個電晶體，採用英特爾250奈米製程製造。

2000 年，英特爾發布了奔騰 Willamette，採用 180nm 製程工藝，CPU 電晶體數量為 42 萬。

2002年，英特爾推出了奔騰IV（Pentium 4）處理器，其每秒可執行2.2億次循環運算。該處理器採用英特爾130奈米製程製造，包含55萬個電晶體。

2003年，英特爾推出了迅馳（Centrino）行動運算技術以及奔騰M（Pentium M）處理器。該處理器基於一種全新的行動最佳化微架構，採用英特爾130奈米微米製程製造，包含77萬個電晶體。

2005 年，英特爾首款主流雙核心處理器奔騰 D 處理器問世，它由 230 億個電晶體組成，採用英特爾領先的 90 奈米製程技術製造。

2006年，英特爾酷睿2雙核心處理器誕生。該處理器配備超過290億個晶體管，並採用英特爾65奈米製程技術，在世界多家最先進的實驗室中生產。

四年後，Core i7 980X 於 2010 年發布，採用 32nm 製造工藝，電晶體數量為 1.17 億。

可以看出，到了21世紀的第一個十年，摩爾定律的預測幾乎都是準確的，以至於50年後，其提出者戈登·摩爾在一次採訪中說：“這只是一個大膽的推測。但後來這一推論繼續推動和主導半導體行業的發展，我感到很安心。”

摩爾定律為何失效

當某些事物被稱為定律時，它實際上是指對某些客觀規律的科學概括，反映了在特定條件下，事物在經歷特定變化過程時必然存在的聯繫。另一方面，在其他條件下，定律可能失效或不準確。沒有任何理論可以描述宇宙中的一切，也沒有任何理論可以完全正確。

摩爾定律在他提出之後實際上被更新過。在1975年的IEEE國際電子元件會議上，摩爾提交了一份修訂版：在接下來的十年裡，隨著用於開發技術的設備變得越來越昂貴，「每年翻一番」的規律將放緩至每18個月翻一番。（編者註：這一變化形成了目前常用的說法“18個月”，最初是12月，即每年更新一次。）。

（圖：摩爾於 1975 年將法律修改為 18-24 個月）

進入21世紀的第一個十年，這條規則開始受到挑戰，最早可以追溯到英特爾在2007年提出的「Tick-Tock」模式。（編者註：Tick-Tock是英特爾的處理器開發週期。它源自於鐘擺原理，指的是時脈每秒「滴答」一聲。英特爾每兩年進行一次處理器架構升級。在Tick年份，它改變處理器的製造流程；在Tock年份，它改變製造流程下的處理器架構。）2016 年的「PAO」模型（編者註：英特爾提出的開發週期。它包含一個三步驟策略，即製程技術（PROCESS）—架構更新（ARCHITECTURE）—最佳化（OPTIMIZATION），其中首字母拼寫為「PAO」。）酷睿處理器並沒有嚴格遵循既定的製程技術升級路徑，甚至逐漸偏離了摩爾定律所定義的矽晶體管數量週期性指數成長規律。 2015年，英特爾承認其10奈米製造製程無法在當年年底前實現量產。

（圖：修正後的摩爾定律）

那麼，從2016年以來的Core製程來看，CPU的製造速度確實在放緩。只有“+”後綴出現了兩次，這也讓英特爾被業內戲稱為“擠牙膏”。那麼，究竟是什麼阻礙了處理器製造流程的發展呢？

首先，高等化學指出指數成長是有盡頭的。 lg2=0.3，這意味著電晶體的數量每十年將增加一百倍。 i9 9900K 大約有 3.2 億個電晶體。再過七十年，這個數字將超過 CPU 中原子的數量。

原子是最小的粒子，而電晶體是透過化學方法製造的，其尺寸無法超越原子。透過化學變化製造比原子更小的粒子是不可能的，這是限制矽（Si）電晶體發展的根本原因。

此外，考慮到經濟因素，日益嚴格的製造流程導致研發成本不斷攀升，每一代更先進製程的研發都需要耗資大量資金。正如之前英特爾斥資20億美元建造晶圓廠的消息一樣，這筆巨款確實令人咋舌，也一度成為新聞熱點。

摩爾定律不再只是英特爾的理論，它影響電子技術的發展。然而，與以英偉達CEO黃仁勳為代表、認為「摩爾定律已死」的廠商不同，AMD和ASML仍然相信摩爾定律仍然有效。今年，ASML研發副總裁Tony Yen在接受路透社採訪時也表達了對摩爾定律的認可。「很多人說摩爾定律已經失效或放緩，但我認為它並沒有，也沒有放緩。從ASML的角度來看，摩爾定律可能會再持續10年，甚至更久。晶片面積的縮小至少在未來10年內還會繼續。”

（圖：NVIDIA 黃仁勳曾在 GTC 大會上說過「摩爾定律已經過時了」）

現在

中國也會推翻摩爾定律嗎？

如果晶片產業繼續按照摩爾定律發展，那麼中國半導體產業將永遠無法趕上以往的領先者。摩爾定律的逐漸失效為中國提供了實現半導體國產化的機會。

在一些應用晶片領域，中國企業取得了顯著進展。例如，華為的麒麟晶片已躋身手機晶片行業一流水平。再例如，安圖的紅外線探測器晶片技術水平已超越歐洲，與美國企業並駕齊驅。中國也成為全球掌握軍用紅外線探測器核心技術的五個國家之一。

在技術方面，14月25日，清華大學工程物理系唐傳祥教授研究團隊與德國團隊在頂級期刊《自然》上發表了題為“穩態微聚束原理的實驗驗證”的研究論文，報道了一種新型粒子加速器光源“穩態微聚束”（SSMB）的首次原理驗證實驗。目前，清華大學正積極支持和推進國家級SSMB極紫外光源計畫的建置。清華SSMB研究團隊已向國家發展和改革委員會提交了「穩態微聚束極紫外光源研究裝置」計畫申請，並被列入「十四五」國家重大科技基礎建設項目清單。（資料來源：清華大學）