即便實現了晶體管堆積數量的增加，但是成本的飆升開始讓越來越多的企業停下對先進制程的追逐，思考摩爾定律本身的合理性。

　　作為計算機行業的黃金定律，摩爾定律一直指導著芯片開發。但是隨著芯片工藝升級速度的放緩，圍繞在這一定律身上的爭議也在不斷擴大。

　　9月28日凌晨，面對摩爾定律的“信任危機”，英特爾CEO帕特·基辛格（Pat Gelsinger）表示，至少在未來十年里，摩爾定律“依然有效”。然而在一周前，英偉達創始人兼CEO黃仁勛卻表達了截然相反的觀點。黃仁勛在一場采訪中表示，以類似成本實現兩倍業績預期對于芯片行業來說已成為過去。“摩爾定律結束了。”

　　兩大芯片巨頭對于摩爾定律的分歧展現了當下芯片企業對于技術演進方向的不確定性。即便實現了晶體管堆積數量的增加，但是成本的飆升開始讓越來越多的企業停下對先進制程的追逐，思考摩爾定律本身的合理性。

　　英偉達VS英特爾：摩爾定律過時了嗎？

　　摩爾定律由英特爾聯合創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）在上世紀60年代提出，逐漸演變對芯片行業的技術預言：集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能大約每兩年翻一倍，計算成本呈指數型下降。

　　從行業角度來看，業界一直遵循這一定律，并按前一代制程的0.7倍對新制程節點命名，這種線性升級正好帶來晶體管集成密度翻番。因此，出現了90納米、65納米、45納米、32納米——每一代制程節點都能在給定面積上，容納比前一代多一倍的晶體管。

　　這種對先進制程的追逐也極大推動了計算產業的發展，從而孕育出了高速度的互聯網、智能手機和現在的車聯網、智能冰箱和自動調溫器等。

　　但隨著技術的發展，隨著工藝從微米級到納米級，同樣小的空間里集成越來越多的硅電路，產生的熱量卻越來越大，摩爾定律所推崇的“兩年處理能力加倍”的實現開始變得乏力。

　　在業內看來，不斷逼近物理極限的晶體管加工早已讓現有的光刻技術“不堪重負”，CPU晶體管和能量大幅上升導致應用性能只有小幅增長，Dennard（登納德）縮放效應遇到了元件物理的瓶頸。此外，摩爾定律質疑聲中最大的“噪音”來自于技術與成本的平衡。

　　英偉達認為，隨著芯片架構變得更加復雜，硅晶片變得更加昂貴。

　　黃仁勛此前在接受包括第一財經在內的記者采訪時表示，“今天12英寸的晶圓要貴得多，不是貴了一點點，是貴了非常非常多。技術越來越貴，所以我們必須使用更多辦法，像RTX、DLSS、SCR、Tensor Cores這樣的發明，使我們能夠繼續克服成本的增加。”

　　以晶圓代工成本為例，根據美國喬治敦大學沃爾什外交學院安全與新興技術中心（CSET）發布的研究數據顯示，臺積電一片采用3nm制程的12英寸晶圓，代工制造費用約為3萬美元，約為5nm的1.75倍。在裸片（die）面積不變（即升級架構，不增加晶體管數量）、良率不變的情況下，未來蘋果A17處理器如果采用3nm制程，成本將上漲到154美元/顆，成為iPhone第一大成本零部件，而5nm的A15處理器原來只是iPhone的第三大成本零部件。

　　“成本的增加對于一些芯片企業來說確實帶來了壓力。”Counterpoint分析師Brady對第一財經記者表示，英偉達的部分產品從三星的8納米轉到臺積電的4納米時，成本多了一倍有余，芯片代工成本的上升讓企業選擇的技術路徑也會發生改變。

　　但在英特爾看來，摩爾定律不會因為無用而結束，也不會因為經濟效益不足而受阻。目前，英特爾仍在積極嘗試在單個芯片上塞入更多晶體管。

　　基辛格在28日的講話中提到，英特爾正在推進制造工藝的進步，例如采用新的光刻技術和RibbonFET架構，這能夠讓公司在每個芯片上繼續塞進更多的晶體管，即使它們變得足夠小，小到可以用埃（0.1納米）單位來測量。

　　“我們希望從今天的單個封裝上容納大約1000億個晶體管開始，到這個十年結束時實現在單個封裝中加入一萬億個晶體管。”基辛格表示，摩爾定律至少在未來的十年里依然有效。

　　誰來拯救“摩爾定律”

　　“摩爾定律并非自然規律，而是對集成電路性能發展的觀測或預測。過去半個多世紀以來，半導體行業大致按照摩爾定律發展，單個芯片上集成的晶體管數量從幾千個增加到十幾億個。”CIC灼識咨詢合伙人趙曉馬對記者表示，現在看來摩爾定律逐漸遭遇瓶頸。受制于芯片尺寸的物理極限、光刻技術、隧道效應、功耗和散熱、供電能力等問題，從5nm到3nm再到2nm，其間隔都超過了2年時間。

　　趙曉馬認為，現在半導體行業更像是進入了后摩爾時代，需要拓展新的技術路線來延續摩爾定律。新集成、新材料、新架構逐漸成為顛覆創新的焦點。新集成包括Chiplet、先進封裝等，Chiplet由于其高性能、低功耗、高面積使用率以及低成本受到廣泛關注，在FPGA、GPU等高性能計算市場具備很高潛力。”

　　以Chiplet為例，這一技術通常被翻譯為“粒芯”或“小芯片”。單從字面意義上可以理解為更為“粒度更小的芯片”。它是一種在先進制程下提升芯片的集成度，從而在不改變制程的前提下提升算力，并保證芯片制造良品率的一種手段。

　　舉例來說，在一顆7nm工藝制程的芯片中，一些次要的模塊可以用如22nm的較低的工藝制程做成Chiplet，再“拼裝”至7nm芯片上，原理如同搭積木一樣，這樣可以減少對7nm工藝制程的依賴。Chiplet模式也是在摩爾定律趨緩下的半導體工藝發展方向之一。

　　截至目前，包括英特爾、AMD在內的多家芯片巨頭企業都曾表明或已經在產品中導入Chiplet設計。華為曾在2019年推出了基于Chiplet技術的7nm鯤鵬920處理器。AMD今年3月推出了基于臺積電3D Chiplet封裝技術的第三代服務器處理芯片。蘋果則推出了采用臺積電CoWos-S橋接工藝的M1 Ultra芯片。

　　此外，趙曉馬表示，先進封裝技術也是英特爾、臺積電等巨頭的重點投入方向之一，從而緩解摩爾定律的消逝。“目前行業內主要有倒裝封裝、晶圓級封裝、2.5D/3D封裝以及SiP系統級封裝等。新材料主要是以SiC、GaN、GaAs為主的第三代半導體材料，具有高頻、高功率、耐高壓高溫等特性，在5G、光伏等領域廣泛應用。而新架構是指突破馮諾依曼架構的新芯片架構，例如異構計算、RISC-V精簡指令集架構等。英偉達重點投入新架構來推動加速計算，新推出的Hopper GPU架構使AI計算性能顯著提升。”

　　“摩爾定律帶來的不是一場競賽。”英特爾高級院士Mark Bohr此前曾在一場制造大會上表示，誠然有一天可能會達到物理極限，但像1990年，當晶圓上的晶體管大小達到用以印刷它們的光的波長（193納米）時，物理學界明確指出不能再向前推進了，但計算型光刻技術和多重曝光跨越了那個挑戰。

　　在英特爾看來，摩爾定律已經“失效”了很多次，但每一次都能在關鍵技術上實現突破，得以延續。“現在這個時候，需要整個產業鏈一起配合，微縮工藝要提升，需要光刻機，需要把它提升到能更精細地刻畫這些特征尺寸的層級。”英特爾中國研究院院長宋繼強表示，摩爾定律的進展不是一家之力，但是如果大家都相信摩爾定律，它仍然能夠以一定的節奏延續下去，仍然是會不斷有新的技術涌現出來。即使在現在CMOS工藝下，也還是可以推進到2nm以下。

　　Brady則對記者表示，從行業發展趨勢來看，未來5年內摩爾定律仍然會持續。“但現在最大的問題在于需求部分的增長，未來市場是否仍然存在這么多小而快的產品需求，手機需求下降時，汽車、物聯網設備能否成為新技術的出海口，這是最緊迫的問題，也是企業投入先進技術的最大動力。”

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責任編輯：李桐