芯片破壁者（六）：摩爾定律的一次次“驚險(xiǎn)”續(xù)命

原標(biāo)題：芯片破壁者（六）：摩爾定律的一次次“驚險(xiǎn)”續(xù)命

1965年，《電子》雜志在創(chuàng)刊35周年之際，邀請(qǐng)時(shí)任仙童半導(dǎo)體公司研究開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室主任的摩爾，為其撰寫(xiě)一篇觀察評(píng)論，預(yù)測(cè)微芯片工業(yè)的前景。

此時(shí)，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)才剛剛萌芽，英特爾公司都尚未成立，市面上生產(chǎn)和銷(xiāo)售的芯片更是屈指可數(shù)。

摩爾根據(jù)有限的數(shù)據(jù)大膽提出了一條被后人奉為圭臬的路線(xiàn)圖——處理器（CPU）的功能和復(fù)雜性每12個(gè)月增加一倍，而成本卻成比例地遞減，也就是有名的摩爾定律。（1975年，摩爾將12個(gè)月改為18個(gè)月，沿用至今）。

這篇名為“讓集成電路填滿(mǎn)更多的元件”的報(bào)告，就此指導(dǎo)了半導(dǎo)體乃至整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展步伐。

就連摩爾本人都沒(méi)有想到，這個(gè)定律的效力是如此持久。

2005年，摩爾直言“Something like this can’t continue forever” ，認(rèn)為摩爾定律可能在 2010 至 2020 年達(dá)到極限而失靈，建立在硅基集成電路上的電子信息技術(shù)也將被另外一種技術(shù)所代替。

此后十幾年，不斷挑戰(zhàn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)極限的摩爾定律，也在一次次撞向“天花板”的時(shí)候“被死亡”。

關(guān)于摩爾定律的唱衰言論層出不窮。2014年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線(xiàn)圖組織宣布，下一份路線(xiàn)圖將不再依照摩爾定律。臺(tái)積電張忠謀、英偉達(dá)黃仁勛等挑戰(zhàn)者更是“語(yǔ)出不遜”，認(rèn)定摩爾定律不過(guò)是茍延殘喘。

顯然，一切并沒(méi)有發(fā)生。集成電路芯片向5nm甚至3nm制程進(jìn)發(fā)，依然是英特爾、三星、臺(tái)積電等半導(dǎo)體廠商孜孜以求的目標(biāo)。

硬挺到今天的摩爾定律，為何總能被成功“續(xù)一秒”，又是哪些黑科技在幫助它一次次“起死回生”？圍繞在它身上的傳奇和產(chǎn)業(yè)競(jìng)速到底能續(xù)寫(xiě)到什么時(shí)候？接下來(lái)，我們就一起走進(jìn)——摩爾定律的驚魂夜。

薛定諤的摩爾定律之死

在抵達(dá)一個(gè)個(gè)驚險(xiǎn)刺激的歷史現(xiàn)場(chǎng)之前，有必要先跟大家聊聊摩爾定律持續(xù)“碰壁”的原因。

摩爾定律的定義，歷史上其實(shí)被更新過(guò)幾次，因此也形成了不同的版本和表達(dá)。比如：

集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便增加一倍；

微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，或價(jià)格下降一半；

相同價(jià)格所買(mǎi)的電腦，性能每隔18個(gè)月增加一倍。

正是沿著這個(gè)思路發(fā)展，電腦、電話(huà)等在強(qiáng)勁的處理器芯片加持之下，才有了低價(jià)格、高性能的可能，進(jìn)而得以應(yīng)用于社會(huì)每個(gè)的每個(gè)領(lǐng)域，成就了今天無(wú)處不在的信息生活，甚至徹底改變了人類(lèi)的生活方式。

而在過(guò)去的幾十年里，為了滿(mǎn)足摩爾定律，半導(dǎo)體行業(yè)算是堵上了自己的尊嚴(yán)：

提升晶體管的密度與性能，成為微處理器按“摩爾定律”進(jìn)化最直接的方法要在微處理器上集成更多的晶體管，芯片制造工藝不斷向天花板逼近，制程節(jié)點(diǎn)不斷逼近物理極限。

1971年英特爾發(fā)布的第一個(gè)處理器4004，就采用10微米工藝生產(chǎn)，僅包含2300多個(gè)晶體管。

隨后，晶體管的制程節(jié)點(diǎn)以0.7倍的速度遞減，90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm等等相繼被成功研制出來(lái)，最近的戰(zhàn)報(bào)是向5nm、3nm突破。

既然大趨勢(shì)如此成功，為什么“摩爾定律”還會(huì)被屢屢宣判失效、死亡呢？

任何一個(gè)對(duì)指數(shù)有所了解的人，都會(huì)明白這種增長(zhǎng)要無(wú)限地保持下去是不可能的?！霸黾右槐丁钡闹芷诙际?8個(gè)月，意味著每十年晶體管的數(shù)量要提高一百倍。

摩爾自己在演講時(shí)也開(kāi)玩笑說(shuō)，如果其他行業(yè)像半導(dǎo)體這樣發(fā)展的話(huà)，汽車(chē)現(xiàn)在應(yīng)該一升汽油就能跑幾十萬(wàn)公里，市中心每小時(shí)的停車(chē)費(fèi)可能比勞斯萊斯還要昂貴，還有可能汽車(chē)尺寸會(huì)縮小到兩寸長(zhǎng)根本無(wú)法載人……

因此，摩爾本人在談?wù)摗澳柖伞钡纳芷跁r(shí)，更同意史蒂芬霍金的說(shuō)法。后者曾在被問(wèn)及集成電路的技術(shù)極限時(shí)，提到了兩個(gè)限制：

一是光的極限速度，芯片的運(yùn)行速度距離光速還很遠(yuǎn)；二是物質(zhì)的原子本質(zhì)，晶體管已經(jīng)很接近原子的直徑（0.01納米到0.1納米之間）。

也就是說(shuō)，摩爾定律想要在當(dāng)下繼續(xù)發(fā)展，工程師們就不得不面臨與這兩個(gè)最基本的自然法則做斗爭(zhēng)。聽(tīng)起來(lái)是不是一個(gè)很艱難的挑戰(zhàn)？

體現(xiàn)在具體的產(chǎn)業(yè)難題上，就是隨著硅片上集成電路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯(cuò)率也會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)的上升。

硅材料芯片被廣為詬病的便是高溫和漏電。集成電路部件發(fā)散的熱量，以及連線(xiàn)電阻增加所產(chǎn)生的熱量，如果無(wú)法在工作時(shí)及時(shí)散發(fā)出去，就會(huì)導(dǎo)致芯片“罷工”；

此外，晶體管之間的連線(xiàn)越來(lái)越細(xì)，耗電也就成了大問(wèn)題。而且導(dǎo)線(xiàn)越細(xì)，傳輸信號(hào)的時(shí)間也就越長(zhǎng)，還會(huì)直接影響它們處理信號(hào)能力。如果電子能直接穿透晶體管中的二氧化硅絕緣層，就會(huì)觸發(fā)“量子隧穿效應(yīng)”，完全喪失功能。

要在指甲蓋大小的芯片上以?xún)|為單位來(lái)雕刻晶體管，難度就像從月球上精準(zhǔn)地定位到地球上的一平方米一樣，這種原子甚至量子級(jí)別的集成電路焊接與生產(chǎn)，就對(duì)工藝精密度提出了更高的要求。

一邊芯片被要求越做越小，性能越來(lái)越高；一邊物理限制又需要晶體管之間保持一定的距離，可不為難死工程師了嘛。

同時(shí)別忘了，摩爾定律還被附加了經(jīng)濟(jì)色彩。除了性能之外，成本/價(jià)格的同時(shí)下降也被看做是基本要求。

體現(xiàn)到消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，就是用戶(hù)們?cè)诿績(jī)赡?，用更少的錢(qián)買(mǎi)到性能更高的電腦、手機(jī)產(chǎn)品。

但是，技術(shù)研發(fā)投入與光刻設(shè)備的更新?lián)Q代，都需要半導(dǎo)體廠商耗費(fèi)大量的資金。

生產(chǎn)精密程度的不斷提升，也需要在制造環(huán)節(jié)投入更大的人力物力，一代代芯片生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)試成本，也在以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

以前，生產(chǎn)130nm晶圓處理器時(shí)，生產(chǎn)線(xiàn)需要投資數(shù)十億美元，到了90nm時(shí)代則高達(dá)數(shù)百億，超過(guò)了核電站的投入規(guī)模。按照IBS 的 CEO Handel Jones 的預(yù)測(cè)，3nm 芯片的研發(fā)成本，甚至將達(dá)到 令人發(fā)指的40 億至 50 億美元。

為了攤薄成本，半導(dǎo)體廠商不得不生產(chǎn)更多的芯片，這又會(huì)導(dǎo)致單片芯片的利潤(rùn)回報(bào)下降。

很顯然，半導(dǎo)體企業(yè)不可能長(zhǎng)期“既讓性能翻一倍，又讓價(jià)格降一倍”，如果18個(gè)月沒(méi)有收回成本，就要面臨巨大的資金壓力。

更為殘酷的是，受軟件復(fù)雜性等影響，芯片性能的提升在用戶(hù)感知度上也越來(lái)越弱。

上世紀(jì)八九十年代，晶體管數(shù)量增加帶來(lái)的性能加成是明顯的。比如奔騰處理器的速度就遠(yuǎn)高于486處理器，奔騰2代又比奔騰1代優(yōu)秀得多。

但正如大家所見(jiàn)的，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，芯片制程越來(lái)越小，但用戶(hù)對(duì)性能提升的感知度卻不如以往令人驚艷，更新?lián)Q代的買(mǎi)單欲望也能輕易被控制——等待更具性?xún)r(jià)比的計(jì)算硬件，鎖死了摩爾定律的增長(zhǎng)周期。

曾幾何時(shí)，谷歌CEO Eric Schmidt 被問(wèn)及會(huì)不會(huì)購(gòu)買(mǎi) 64 位“安騰”處理器時(shí)，對(duì)方就表示“谷歌已經(jīng)決定放棄摩爾定律”，不準(zhǔn)備購(gòu)買(mǎi)這種在當(dāng)時(shí)看來(lái)的超級(jí)處理器。當(dāng)然，這一決定被歷史證明打臉了。

但也說(shuō)明，即使廠商完成了前期的燒錢(qián)游戲，也未必能在中短線(xiàn)消費(fèi)市場(chǎng)上完美收官。

總體而言，過(guò)去六十多年里，半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，正是在摩爾定律的推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)的，一代代運(yùn)算速度更快的處理器問(wèn)世，讓人類(lèi)徹底走進(jìn)了信息時(shí)代。

與此同時(shí)，在芯片焊接和生產(chǎn)已經(jīng)達(dá)到原子級(jí)別、接近量子級(jí)別的程度之后，摩爾定律也從指導(dǎo)行業(yè)進(jìn)化的“金科玉律”，逐漸變成了捆綁在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)頭上的緊箍咒。

想要繼續(xù)發(fā)揮作用，必須付出巨大的成本，讓行業(yè)舉步維艱、苦不堪言的同時(shí)，不斷被唱衰也就成了摩爾定律的宿命。

性能、價(jià)格、市場(chǎng)預(yù)期，就如同三體世界里的三個(gè)太陽(yáng)，在半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里反復(fù)炙烤著摩爾定律。

接下來(lái)，我們就一起回到幾個(gè)重要的“碰壁現(xiàn)場(chǎng)”，去看看摩爾定律是如何在一次次瓶頸期“驚險(xiǎn)”逃生、鞭策著整個(gè)行業(yè)繼續(xù)為之奮斗的。

第一次續(xù)命：從MSI到VLSI，工匠之國(guó)日本的崛起

在此前的章節(jié)中，我們談?wù)摿艘訢RAM為代表的VLSI超大規(guī)模集成電路的崛起，以及美國(guó)、日本在這個(gè)技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)上的世紀(jì)戰(zhàn)爭(zhēng)。

而摩爾定律，既是這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)必然爆發(fā)的推動(dòng)力，也是產(chǎn)業(yè)版圖更迭的見(jiàn)證者。

了解歷史的人知道， 1975年，在“摩爾定律”發(fā)布的十年后，摩爾本人對(duì)定律進(jìn)行了修改，將原本的“12個(gè)月翻一倍”改為了“18個(gè)月”。

當(dāng)時(shí)，摩爾已經(jīng)離開(kāi)仙童，與別人一起創(chuàng)立了英特爾。而技術(shù)的挑戰(zhàn)也在此時(shí)拉開(kāi)序幕。

1975年，英特爾公司準(zhǔn)備推出的一款電荷耦合器件(CCD)存儲(chǔ)芯片中，只有3.2萬(wàn)個(gè)元件，這比摩爾定律預(yù)測(cè)的千倍增長(zhǎng)整整少了一半。

第一個(gè)辦法當(dāng)然是修改定律，將產(chǎn)業(yè)周期從12個(gè)月延長(zhǎng)到18個(gè)月。摩爾在一次訪談中曾提及這次修改，不無(wú)消極地說(shuō)，自己的論文只是試圖找到以最低成本生產(chǎn)微型芯片的方式——

“我覺(jué)得不會(huì)有人會(huì)按照它（摩爾定律）來(lái)制定商業(yè)計(jì)劃 ，可能是因?yàn)槲疫€沉浸在第一次預(yù)測(cè)正確的恐慌當(dāng)中。我不覺(jué)得還會(huì)有人關(guān)注這個(gè)預(yù)測(cè)?！?/p>

翻車(chē)的原因在于，摩爾定律提出的1965年，還是小規(guī)模集成電路（SSL）時(shí)代，芯片內(nèi)的元件不超過(guò)100個(gè)。此后，MSI（中規(guī)模集成電路）順利地?cái)[渡了十年，生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于芯片設(shè)計(jì)，晶體管數(shù)量幾乎每年都會(huì)翻番，完美符合摩爾定律。

但接下來(lái)，工程師們認(rèn)為要在單芯片上集成十萬(wàn)個(gè)晶體管，VLSI階段正式來(lái)臨。與此同時(shí)，DRAM存儲(chǔ)器、微處理器CPU等芯片產(chǎn)品的出現(xiàn)，在將芯片復(fù)雜度發(fā)揮到極致的同時(shí)，也讓成本的經(jīng)濟(jì)性開(kāi)始引起重視。

當(dāng)時(shí)，美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室完成了對(duì)VLSI的技術(shù)突破，為什么最后卻是日本成功上位呢？

因?yàn)樾聲r(shí)期里，拯救摩爾定律的不是技術(shù)上的突破，而是商業(yè)價(jià)值上的精進(jìn)。

DRAM是當(dāng)時(shí)最重要的半導(dǎo)體市場(chǎng)消費(fèi)品，而其制造的關(guān)鍵在于更細(xì) 、更密集的電路。面臨的挑戰(zhàn)在于，隨著芯片上元件的增多，晶圓上的隨機(jī)缺陷影響加大，導(dǎo)致成品率降低，自然提高了芯片的生產(chǎn)成本，也讓廠商的收益不那么美好。

必須實(shí)現(xiàn)成本下降，才能延續(xù)摩爾定律。而日本產(chǎn)業(yè)對(duì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的平衡，在此時(shí)發(fā)揮了重要的作用。

1976年，日本以舉國(guó)之力啟動(dòng)了聞名遐邇的超大規(guī)模集成電路研究計(jì)劃。

由通產(chǎn)省技術(shù)專(zhuān)家和官員出面，集合了富士通、日立、三菱、日本電氣（NEC）和東芝等5家公司，共同設(shè)立了VLSI研究所。

日本在進(jìn)軍半導(dǎo)體市場(chǎng)時(shí)更注重改進(jìn)制程，而不是產(chǎn)品上有什么革命性的突破。日本VLSI研究所的目標(biāo)，就是在微精細(xì)加工、工藝技術(shù)、元件技術(shù)等等課題上嘗試提升。

VLSI項(xiàng)目實(shí)行了4年，于1980年結(jié)束，也確實(shí)誕生了豐碩的研究成果，大約有1000項(xiàng)發(fā)明獲得了專(zhuān)利，這對(duì)日本半導(dǎo)體的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力起到了重大作用。

與此同時(shí)，注重制造技術(shù)也為日本半導(dǎo)體公司帶來(lái)了全球競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，雖然不像革命性產(chǎn)品那樣引人注目，但價(jià)格和質(zhì)量卻成為攻占市場(chǎng)的重要籌碼。

當(dāng)時(shí)，業(yè)界每?jī)扇瓯銜?huì)推出新一代DRAM，存儲(chǔ)能力以倍數(shù)上升，消費(fèi)者們也熱衷于升級(jí)存儲(chǔ)條。龐大的市場(chǎng)需求，撞上日本工業(yè)界對(duì)集成電路的改良，直接從半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大本營(yíng)——美國(guó)手里搶走了不少市場(chǎng)份額。

1982底，日本的第一代超大規(guī)模集成電路的64K RAM已經(jīng)占到國(guó)際市場(chǎng)的66％，至此，日本在DRAM制造方面的全球領(lǐng)導(dǎo)地位奠定，也使其成為下一代微芯片的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。

正是日本在VLSI技術(shù)上的發(fā)力，讓摩爾定律得以繼續(xù)發(fā)揚(yáng)光大。到了1980年代，摩爾定律已經(jīng)被看到是“DRAM準(zhǔn)則”，隨后，微處理器也出現(xiàn)在了曲線(xiàn)上。復(fù)雜度（晶體管的數(shù)量），以及芯片性能（處理器的操作速度），成為摩爾定律的主要預(yù)測(cè)對(duì)象，摩爾定律也從此時(shí)起成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，不少微處理器和存儲(chǔ)器芯片企業(yè)根據(jù)這一趨勢(shì)來(lái)制定生產(chǎn)計(jì)劃、參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。

制程工藝與經(jīng)濟(jì)性的正式融合，讓摩爾定律與半導(dǎo)體發(fā)展節(jié)奏，從80年代中期開(kāi)始，開(kāi)始變得密不可分。

第二次續(xù)命：從2D到3D，一杯名為技術(shù)的“美式咖啡”

摩爾定律的第一次續(xù)命，成功拉開(kāi)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。

當(dāng)時(shí)的產(chǎn)業(yè)邏輯是，制程領(lǐng)先的企業(yè)很容易獲得市場(chǎng)份額和規(guī)模優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而讓落后者無(wú)利可圖。

但這種高速發(fā)展不斷撞上了新的天花板，摩爾定律也迎來(lái)了自己的第二次“被死亡”。

20世紀(jì)90年代中期，在IBM研究所工作的劉易斯·特曼（Lewis Terman）宣稱(chēng)，摩爾定律的終結(jié)就在眼前。

原因很簡(jiǎn)單，進(jìn)一步縮小晶體管尺寸再一次迎來(lái)技術(shù)瓶頸。

當(dāng)時(shí)，半導(dǎo)體行業(yè)開(kāi)始用激光作為光源在硅晶圓平面上制造晶體管和集成電路，當(dāng)波長(zhǎng)從 365 nm 降低到 248 nm，晶體管尺寸也逐漸逼近100nm。隨著組件尺寸變小，當(dāng)晶體管處于“關(guān)閉”狀態(tài)時(shí)，電流很容易泄漏出來(lái)這會(huì)造成芯片的額外損耗。

2000年，全世界研究者都在研究如何讓更短波長(zhǎng)的微影蝕刻成功，延長(zhǎng)干式機(jī)臺(tái)的壽命。臺(tái)積電在此時(shí)殺出，與ASML共同完成開(kāi)發(fā)全球第一臺(tái)潤(rùn)式微影機(jī)臺(tái)，采用193波長(zhǎng)曝光的“濕式”機(jī)臺(tái)量產(chǎn)45nm制程，一時(shí)間引人矚目，將半導(dǎo)體制程從45nm向前推進(jìn)，讓摩爾定律得以延續(xù)。

很快，大家都覺(jué)得這已經(jīng)到硅芯片的極限了，摩爾定律再次失效，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的黃金年代也即將結(jié)束。

于是在 2002 年 11月，英特爾股票被美林證券將降級(jí) , 從 “中立”降為 “賣(mài)出”, 股價(jià)再次應(yīng)聲而落。

美國(guó)對(duì)于這種情況也十分擔(dān)憂(yōu)，國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）還啟動(dòng)了一個(gè)名為“25nm開(kāi)關(guān)（25-nm Switch）”的計(jì)劃，試圖提升芯片容納晶體管數(shù)目的上限。

讓英特爾及 “摩爾定律”繼續(xù)引領(lǐng)行業(yè)的，是一位華人。

加州大學(xué)伯克利分校電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授的胡正明，由于美國(guó)在能源領(lǐng)域的學(xué)術(shù)撥款緊縮，轉(zhuǎn)向參加企業(yè)項(xiàng)目，開(kāi)始挑戰(zhàn)半導(dǎo)體領(lǐng)域的難題。

（FinFET發(fā)明者胡正明）

既然晶體管尺寸無(wú)法再縮小，提升密度能不能同時(shí)保證技術(shù)和成本效益呢？按照這一思路，胡正明提出了鰭式場(chǎng)效晶體管（FinFET，F(xiàn)in Field-effect transistor）方案。

以前，整個(gè)芯片基本上是平坦的，而胡正明則一改此前元器件和電路都在芯片表面一層的CMOS晶體管工藝?yán)砟?，改為用垂直方法鋪設(shè)電流通道。

在硅基底上方垂直布設(shè)細(xì)傳導(dǎo)通道，傳導(dǎo)通道像鯊魚(yú)鰭一樣排列，柵極可以三面環(huán)繞通道，而不是僅僅位于通道上方。

（FinFET工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）

這種方式不僅能很好地接通和斷開(kāi)電路兩側(cè)的電流，使柵極能夠更好地控制電子流動(dòng)，從而大大降低了芯片漏電率高的問(wèn)題，還利用垂直空間，大幅地縮短了晶體管之間的閘長(zhǎng)。

晶體管尺寸發(fā)展到25nm以下后，F(xiàn)inFET方案發(fā)揮了巨大的作用。

不過(guò)，F(xiàn)inFET的工藝制造過(guò)程較為復(fù)雜，英特爾2002年起投入3D晶體管的研發(fā)，2011才開(kāi)始利用FinFET方案正式批量生產(chǎn)晶體管，22nm的酷睿處理器三代就使用的FinFET工藝。

隨后，各大半導(dǎo)體廠商也開(kāi)始轉(zhuǎn)進(jìn)到FinFET工藝之中，臺(tái)積電16nm、10nm，三星14nm、10nm以及格羅方德的14nm等等，都是在FinFET工藝支撐下實(shí)現(xiàn)的。

3D晶體管時(shí)代的開(kāi)啟，又一次將摩爾定律推后了數(shù)年。

第三次續(xù)命：全球聯(lián)動(dòng)EUV，只為撬出突破口

“摩爾定律”的舒坦日子還沒(méi)過(guò)多久，新的催命符又來(lái)了。

國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖更新后大家發(fā)現(xiàn)，增長(zhǎng)在2013年年底又放緩了。

進(jìn)入三維結(jié)構(gòu)之后，芯片工藝無(wú)法嚴(yán)格按照既定的路線(xiàn)升級(jí)制程工藝。各個(gè)半導(dǎo)體廠商的產(chǎn)品創(chuàng)新屢屢被用戶(hù)吐槽“擠牙膏”，AMD停留在 28nm多年，英特爾在14nm節(jié)點(diǎn)區(qū)分出“14nm、14nm+、14nm++”三種制式更被引為笑談。

看起來(lái)，摩爾定律似乎在14nm節(jié)點(diǎn)上又一次無(wú)路可走了，接下來(lái)怎么辦？

一個(gè)來(lái)自于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，為美蘇“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃而開(kāi)發(fā)的技術(shù)——EUV，開(kāi)始在產(chǎn)業(yè)界登場(chǎng)。

（EUV原理）

此前，英特爾用超微深紫外線(xiàn)（DUV，Deep Ultra Violet）技術(shù)制造出了為數(shù)不多的30nm 晶體管樣品。隨后，研究人員又將下一步研究放在了大規(guī)模采用極紫外線(xiàn)刻蝕技術(shù)（EUV）來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)上。

2012 年，英特爾、三星和臺(tái)積電（TSMC）為 ASML 的下一代光蝕刻技術(shù)募集了 13.8 億歐元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，其中有4000 名專(zhuān)注 EUV 項(xiàng)目的員工。

有意思的是，盡管英特爾很早就在布局EUV技術(shù)，但最早推出EUV制造的7nm芯片樣品的，卻是IBM。

當(dāng)時(shí)，《紐約時(shí)報(bào)》以《IBM Announces Computer Chips More Powerful than Any in Existence》（IBM發(fā)布了比現(xiàn)有任何一種產(chǎn)品都強(qiáng)大的計(jì)算芯片）為題報(bào)道了此事，有些媒體更直言“IBM打了英特爾的臉”。

不過(guò)，EUV光刻技術(shù)采用13.5nm長(zhǎng)的極紫外光作為光源，對(duì)光照強(qiáng)度、能耗效率和精度等都有極高要求。因此，盡管其研發(fā)始于20世紀(jì)80年代，但達(dá)到晶圓廠量產(chǎn)光刻所需要的技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)能要求，卻摸索了很長(zhǎng)一段時(shí)間，以至于在此期間，摩爾定律不斷被挑釁。

2017年的GTC技術(shù)大會(huì)上，GPU芯片廠商N(yùn)VIDIA英偉達(dá)甚至提出要靠GPU開(kāi)啟AI時(shí)代的計(jì)算新紀(jì)元。其CEO黃仁勛聲稱(chēng)，摩爾定律已經(jīng)終結(jié)，依靠圖形處理器推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展才是正道，而尋找更強(qiáng)大的CPU則應(yīng)該讓出主導(dǎo)地位。

以前，摩爾定律強(qiáng)調(diào)性能可以“一力降十會(huì)”，而英偉達(dá)認(rèn)為，賦予晶體管智慧比力量更加重要。

對(duì)此，摩爾接受《紐約時(shí)報(bào)》專(zhuān)訪時(shí)表示，如果良好的工程技術(shù)得到應(yīng)用，那么摩爾定律仍可以堅(jiān)持 5 到 10 年時(shí)間。

摩爾定律的變緩，給了 EUV 足夠的時(shí)間迎頭趕上這根救命稻草，終于在近些年成功落地。

2016年后，EUV光刻機(jī)開(kāi)始投入晶圓廠，用于研發(fā)和小批量試產(chǎn)。隨后，三星、臺(tái)積電、英特爾等都爭(zhēng)先恐后地將EUV投入芯片量產(chǎn)，中芯國(guó)際斥資1.2億美元買(mǎi)入EUV光刻機(jī)的新聞也見(jiàn)諸報(bào)頭。

用ASML（阿斯麥）研發(fā)副總裁Anthony Yen的話(huà)來(lái)說(shuō)，EUV光刻是目前唯一能夠處理7nm和更先進(jìn)工藝的設(shè)備，并被廣泛看做是突破摩爾定律瓶頸的最關(guān)鍵武器。

但成本，依然是困擾摩爾定律的難題。目前建設(shè)一個(gè)7nm工廠需要投資150億美元，5nm工廠將需要300億美元，而3nm理論上是600億美元。

最后如何在終端市場(chǎng)上將成本順利攤銷(xiāo)，加上復(fù)雜國(guó)際政治局勢(shì)的干擾，對(duì)三星、臺(tái)積電等半導(dǎo)體廠商來(lái)說(shuō)都是一件風(fēng)險(xiǎn)極大的事。

不難看出，在EUV為核心的戰(zhàn)場(chǎng)上，芯片廠商與代工廠的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)告一段落，更上游的半導(dǎo)體材料廠商、光刻機(jī)設(shè)備廠商，甚至學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的工藝創(chuàng)新，開(kāi)始加入其中，成為拯救摩爾定律不可或缺的參與力量。

其他屢建奇功的續(xù)命“藥丸”

當(dāng)然，在摩爾定律的續(xù)命史上，除了上述三個(gè)重要的技術(shù)節(jié)點(diǎn)、提高主頻性能之外，也有不少方法屢建奇功。

比如新的封裝技術(shù)。像是Chiplet小芯片系統(tǒng)封裝技術(shù)，就可以促進(jìn)芯片集成、降低研發(fā)成本、提高成品率，被認(rèn)為是擴(kuò)展摩爾定律有效性的另一種武器。

據(jù)說(shuō)，臺(tái)積電最新的3D SoIC封裝技術(shù)將于2021年進(jìn)入批量生產(chǎn)，促進(jìn)高性能芯片的成本效益。

再比如尋找硅材料的替代品。利用新型材料做出分子大小的電路，也能使芯片性能變得更強(qiáng)大。在半導(dǎo)體發(fā)展歷程中，元素周期表上的各種可能都被廣泛嘗試過(guò)。

華為任正非就曾公開(kāi)表示，石墨烯有潛力顛覆硅時(shí)代。英特爾也宣布，在達(dá)到7納米工藝之后，將不再使用硅材料。光刻膠等半導(dǎo)體材料的創(chuàng)新，也在推動(dòng)摩爾定律的持續(xù)演進(jìn)。

（英特爾對(duì)半導(dǎo)體工藝的進(jìn)展預(yù)期）

也有人提出了“More than Moore”（超越摩爾定律）路線(xiàn)，通過(guò)改變基礎(chǔ)的晶體管結(jié)構(gòu)、各類(lèi)型電路兼容工藝、先進(jìn)封裝等多種技術(shù)，共同發(fā)力來(lái)延續(xù)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，而不再局限于縮小晶體管特征尺寸所帶來(lái)的推動(dòng)力。

總而言之，摩爾定律何時(shí)觸頂或未可知，但半導(dǎo)體行業(yè)的進(jìn)步永不終結(jié)，而圍繞產(chǎn)業(yè)規(guī)律展開(kāi)的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)與硝煙也會(huì)繼續(xù)延綿不休。

（超越摩爾定律：多樣化）

回望摩爾定律的一次次驚險(xiǎn)續(xù)命，不難發(fā)現(xiàn)，盡管其很多假設(shè)都會(huì)隨著時(shí)代變化而變得不再適用，但半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的特殊之處卻決定了它頑強(qiáng)的生命力。

一方面，摩爾定律督促著技術(shù)工程師們不斷挑戰(zhàn)極限，聚焦于難題上，以盡可能地挖掘硅部件的潛力，作為“硅谷的節(jié)拍器”，摩爾定律在讓行業(yè)走上巔峰的時(shí)候，也成為了產(chǎn)業(yè)的基本法。

而每當(dāng)行業(yè)發(fā)生本質(zhì)變化的時(shí)候，摩爾定律也會(huì)隨之得到修正和改變，使其始終保持著一定的準(zhǔn)確度。

此外，即使全行業(yè)都在摩爾定律之下展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)，但這并不意味著標(biāo)新立異沒(méi)有意義，用不同的生產(chǎn)、工藝、材料等等方式尋求更快的發(fā)展，自控式企業(yè)也更容易抓住機(jī)會(huì)，打破固有的市場(chǎng)格局脫穎而出。

當(dāng)然，在摩爾定律的感召下，科學(xué)家、工程師、投資方，甚至曾經(jīng)的競(jìng)爭(zhēng)者，也有可能形成共同體，在同一理想的支撐下大膽投入高風(fēng)險(xiǎn)的研發(fā)活動(dòng)。

從日本半導(dǎo)體廠商的逆襲、英特爾的多年輝煌、英偉達(dá)的豪橫發(fā)言等身上，會(huì)發(fā)現(xiàn)正是摩爾定律的文化隱喻，讓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速率變得不可預(yù)測(cè)，也格外精彩。

這也是為什么，我們會(huì)追尋摩爾定律“起死回生”的歷史瞬間。因?yàn)樗粌H對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的變化趨勢(shì)十分重要，更是技術(shù)軌道和預(yù)言的重要范例。

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，摩爾定律本身已經(jīng)改變，但其文化內(nèi)核卻始終不變，只是以更廣闊、更強(qiáng)大的方式與我們?cè)俅斡|碰。

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