“摩爾定律”還能發(fā)揮作用么？在芯片制造領(lǐng)域會(huì)延續(xù)下去嗎？

關(guān)注芯片發(fā)展的朋友們大都聽說一個(gè)詞，叫作“摩爾定律”。那么摩爾定律到底是個(gè)什么東西呢?為了照顧到不太熟悉這個(gè)定律的人，我們先簡單地科普一下“摩爾定律”。

摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾的經(jīng)驗(yàn)之談，其核心內(nèi)容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個(gè)月便會(huì)增加一倍。摩爾定律是內(nèi)行人摩爾的經(jīng)驗(yàn)之談，漢譯名為“定律”，但并非自然科學(xué)定律，它一定程度揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。被稱為計(jì)算機(jī)第一定律的摩爾定律是指IC上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。摩爾定律是由英特爾(lntel)名譽(yù)董事長戈登·摩爾( Gordon moore)經(jīng)過長期觀察總結(jié)的經(jīng)驗(yàn) 。

1965年，戈登·摩爾準(zhǔn)備一個(gè)關(guān)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器發(fā)展趨勢(shì)的報(bào)告。他整理了一份觀察資料。在他開始繪制數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的趨勢(shì)。每個(gè)新的芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個(gè)芯片產(chǎn)生的時(shí)間都是在前一個(gè)芯片產(chǎn)生后的18~24個(gè)月內(nèi)，如果這個(gè)趨勢(shì)繼續(xù)，計(jì)算能力相對(duì)于時(shí)間周期將呈指數(shù)式的上升。 Moore的觀察資料，就是現(xiàn)在所謂的Moore定律，所闡述的趨勢(shì)一直延續(xù)至今，且仍不同尋常地準(zhǔn)確。人們還發(fā)現(xiàn)這不僅適用于對(duì)存儲(chǔ)器芯片的描述，也精確地說明了處理機(jī)能力和磁盤驅(qū)動(dòng)器存儲(chǔ)容量的發(fā)展。該定律成為許多工業(yè)對(duì)于性能預(yù)測(cè)的基礎(chǔ) 。

摩爾定律的基本內(nèi)容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個(gè)月便會(huì)增加一倍。該定律是由CPU芯片制造巨頭英特爾的創(chuàng)始人之一戈登-摩爾根據(jù)自己在芯片領(lǐng)域積累的經(jīng)驗(yàn)，以及推測(cè)所得出的。

從摩爾定律被提出來開始，就有不同的聲音質(zhì)疑摩爾這一發(fā)現(xiàn)。隨著科技的不斷進(jìn)步和芯片的發(fā)展，到目前為止，摩爾定律依舊沒有被顛覆。是不是由此我們能夠得出，摩爾定律是一條科學(xué)規(guī)律?

2、摩爾定律缺乏足夠的理論支撐

摩爾定律從被提出來到目前為止都是正確的，這是不是就意味著摩爾定律是科學(xué)呢?我們不妨按照摩爾定律的模式類比一個(gè)實(shí)例，假如你讓100個(gè)人排成一隊(duì)，從隊(duì)頭體檢到隊(duì)尾，那你發(fā)現(xiàn)這100個(gè)人都是健康的。那么我們能得出只要找100人來排隊(duì)，檢測(cè)出來的結(jié)果就一定是100個(gè)健康人么?或者說，100人排隊(duì)，你檢測(cè)了前30個(gè)都是健康人，是不是就能推測(cè)后邊70個(gè)人也一定是健康人呢?

所以，摩爾定律只是經(jīng)驗(yàn)之談，而恰好在今天以前，國際社會(huì)相對(duì)和平，各個(gè)科研機(jī)構(gòu)和制造商的正常工作沒有受到干擾和打斷，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的努力剛剛好同步，基本上能夠滿足芯片集成規(guī)模18個(gè)月翻一番。

3、摩爾定律也受限于電擊穿的干擾

現(xiàn)代集成電路晶體管的集成規(guī)模得益于薄膜晶體管的發(fā)展，但大規(guī)模的提高晶體管的集成數(shù)量卻也引入了另一個(gè)難題。

摩爾定律在芯片制造領(lǐng)域會(huì)延續(xù)下去嗎?當(dāng)以英特爾、臺(tái)積電和三星為代表的芯片制造廠商將它證明了數(shù)十年之后，回答問題的關(guān)鍵已不是“會(huì)”與“不會(huì)”，而是如何延續(xù)下去。

多年以來，在手機(jī)、電腦應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)下，臺(tái)積電、英特爾不斷改進(jìn)芯片的生產(chǎn)工藝，與英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾50年前提出的摩爾定律保持一致。然而近年，芯片工藝越來越接近半導(dǎo)體的物理極限，成本也更加高昂，追趕“摩爾定律”愈加困難。

“為什么說摩爾定律到頭了，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)學(xué)上它的成本反而增加了。” EDA((電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)軟件公司Cadence數(shù)字與簽核事業(yè)部產(chǎn)品工程資深群總監(jiān)劉淼告訴界面新聞。

粗略計(jì)算，以1美元對(duì)應(yīng)制造的晶體管長度計(jì)算，2012年的28納米制程可以制造約20米晶體管，到了2014年的20納米制程，則仍只有20米?！肮饪窟@一個(gè)維度(先進(jìn)制程)是不足以支撐摩爾定律繼續(xù)往下走的，因?yàn)樗某杀究床坏斤@著的降低。”劉淼說。

從設(shè)計(jì)到制造，越來越多的芯片產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)開始嘗試新方案。從整個(gè)行業(yè)來看，行業(yè)龍頭臺(tái)積電投入5納米及3納米先進(jìn)制程時(shí)，在先進(jìn)封裝技術(shù)上也持續(xù)推進(jìn)，小芯片(Chiplet)系統(tǒng)封裝正成為臺(tái)積電主要客戶所看重的技術(shù)。兩者對(duì)比而言，由于先進(jìn)制程成本極為昂貴，后者應(yīng)用趨勢(shì)已經(jīng)變得明顯。

AMD首席執(zhí)行官蘇姿豐認(rèn)為，摩爾定律仍然有效，但推進(jìn)的速度趨緩。過去半導(dǎo)體業(yè)靠先進(jìn)制程微縮，讓芯片體積不變，但晶體管密度倍數(shù)提升，如今發(fā)展逐漸面臨瓶頸，必須靠Chiplet封裝、異質(zhì)整合等技術(shù)協(xié)助智能微縮下，芯片效能才能提升。

Chiplet近年成為芯片行業(yè)的關(guān)鍵詞。傳統(tǒng)系統(tǒng)單芯片的做法是每一個(gè)組件放在單一裸晶(Die)上，造成功能越多，硅芯片尺寸越大。Chiplet的特點(diǎn)是將大尺寸的多核心設(shè)計(jì)分散到個(gè)別微小裸芯片，如處理器、模擬組件、儲(chǔ)存器等，再用立體堆棧的方式，以封裝技術(shù)做成一顆芯片，類似樂高積木。

實(shí)際上，產(chǎn)業(yè)界早就意識(shí)到3D結(jié)構(gòu)對(duì)于延續(xù)和“拯救”摩爾定律的意義：面對(duì)非常小的設(shè)備尺寸，物理定律已成為晶體管技術(shù)進(jìn)步的障礙。

在中國，現(xiàn)任中芯國際副董事長蔣尚義近年來即致力于Chiplet封裝。此前他在公開場合曾表示，這些年集成電路不斷創(chuàng)新，發(fā)展至今摩爾定律已經(jīng)接近其物理極限，未來改變方向在于整個(gè)系統(tǒng)中的瓶頸：封裝與電路板。

“我自己在2009年時(shí)就開始做先進(jìn)封裝，我們希望打破這個(gè)瓶頸。” 蔣尚義提及，如有了先進(jìn)封裝，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)將完全改變。未來半導(dǎo)體方向?qū)⒉辉偈切酒阶鲈叫　⒐δ茉絹碓胶?、功耗越來越低，而是將一個(gè)大的芯片分成小的芯片，再重新組合。

Chiplet系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)被視為減緩摩爾定律失效的對(duì)策。在臺(tái)積電宣布與ARM合作了第一個(gè)以CoWaS(基板上晶圓上封裝)解決方案獲得硅晶驗(yàn)證的7納米小芯片系統(tǒng)產(chǎn)品后，包括AMD和聯(lián)發(fā)科也是Chiplet的擁躉。