中國半導體超越摩爾定律

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2022-03-17 07:56:23 0

今年3月初，基于先進存算一體技術的新型智能計算芯片企業“后摩智能”宣布完成數千萬美元天使輪融資。公司創始人吳強博士表示：“人工智能算力是數字化經濟基礎設施的核心，而驅動集成電路產業發展的摩爾定律已逼近極限，芯片產業亟需突破傳統馮諾依曼架構的‘后摩爾’解決方案。”對于吳強博士說的摩爾定律，部分微電子行業的人是了解的，但是這個“后摩爾”解決方案就有意思了。摩爾定律被說道了四五十年，難道真的不行了嗎？再者，中國有打造“后摩爾”的能力了？本次，一起聊聊這個話題。

過去

我們真的在遵循摩爾定律嗎

1957年，8位科學家在攝影器材公司老板謝爾曼·費爾柴爾德的支持下，成立仙童半導體公司。7年后，仙童其中一位創始人摩爾提出了*的“摩爾定律”，沿用半個世紀：集成電路上能被集成的晶體管數目每18個月將翻一番。也就是說，處理器的性能每隔兩年翻一倍，并在今后數十年內保持著這種勢頭。

（圖：仙童公司的八位創始人）

之后，摩爾離開半導體“黃埔軍校”仙童公司，與同伴諾伊斯創辦了Intel公司。

說到摩爾定律，它并非自然科學定律，是在一定程度揭示了信息技術進步的速度。不過，在過去幾十年的半導體發展中，這個定律具有非常高的準確性。

來看一組intel CPU的發展數據:

1999年，intel發布Pentium III（奔騰3）處理器。Pentium III是一種1×1平方硅，有950萬個晶體管，采用Intel 250nm工藝技術制造。

2000年，intel發布Pentium Willamette(奔騰威拉米特)，生產工藝為180nm，cpu晶體管數量達到4200萬。

2002年，intel推出Pentium IV（奔騰4）處理器，可以實現每秒22億次循環操作。它使用英特爾的130nm工藝技術生產，包含5500萬晶體管。

2003年，intel Centrino（迅馳移動計算技術）面世，以及Pentium M（奔騰 M）處理器。該處理器基于一種新的移動優化微體系結構，使用英特爾的130nm微米工藝技術生產，包含7700萬個晶體管。

2005年，intel的*個主流雙核處理器Pentium D（奔騰D）處理器，誕生于使用英特爾*的90nm工藝技術生產的2.3億個晶體管。

2006年，intel Core 2雙核處理器誕生。該處理器搭載了超過2.9億個晶體管，采用英特爾65nm制程技術，在*上幾個最先進的實驗室中生產。

4年后，2010年推出的Core i7 980X，制作工藝為32nm，晶體管數量為11.7億個。

可以看到，到21世紀頭十年，摩爾定律幾乎預測準確，以致50年后其提出者戈登·摩爾在接受采訪時也說道“這只是一個大膽推測。但后來這個推論不斷驅動和主宰半導體行業的發展，我也就心安理得了。”

為什么摩爾定律要失效

某物被稱做定律，實際是指科學上對某種客觀規律的概括，反映事物在一定條件下發生一定變化過程的必然關系。那么反言之，定律就可能在其它條件下失效或者不準確。沒有任何一種理論可以描述宇宙當中的所有情況，也沒有任何一種理論可能完全正確。

摩爾定律在其本人提出之后，實際也進行了一次更新。在1975年的IEEE國際電子組件大會上，摩爾提交過一次修正：在未來十年，隨著用來開發技術的機械越來越貴，“每年翻番法則”將減緩到每十八個月翻一番（編者注：這次更改也就形成了現在的通用說法18個月，最初是12月，即一年更新一次）。

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（圖：摩爾在1975將定律更新改為18-24個月）

21世紀頭十年，這個規律開始受到挑戰，從intel 在2007年提出的“Tick-Tock”模型（編者注：intel的一種開發周期。Tick-Tock 源于鐘擺原理，是指時鐘每秒鐘發生的 “嘀嗒” 聲。英特爾每兩年進行一次處理器升級架構變動，遇到 Tick 年則改變處理器制造工藝，而走到 Tock 年則改變制造工藝下的架構。）到2016年的“PAO”模型（編者注：intel提出的一種開發周期。其包括三步戰略，為制程工藝（PROCESS） – 架構更新（ARCHITECTURE） – 優化（OPTIMIZATION），首字母拼寫為“PAO”），酷睿處理器并沒有嚴格按照既定的路線升級制程工藝，甚至逐漸偏離了摩爾定律所定義的硅晶體管數量的周期性指數級增長。2015年，intel承認其10nm 制造工藝無法在當年年底前實現量產。

（圖：調整后的摩爾定律）

然后，從2016年以來的酷睿工藝來看，CPU制程確實在放緩，僅“+”號后綴就使用了兩次，也讓intel被業界戲稱為在“擠牙膏”。那究竟是什么阻礙了處理器制作工藝呢？

首先，高等化學指出，指數級增長會有盡頭。lg2=0.3，這就意味著每十年晶體管數量要提高一百倍。i9 9900K約32億個晶體管，再過七十年數目將超過CPU內的原子數。

原子是最小的粒子，晶體管通過化學方式印刷，無法超越原子。通過化學變化不可能將其印刷得比原子還小，這是制約硅（Si）晶體管增長的最根本原因。

再者，經濟因素考慮來說，越來越嚴苛的制造工藝導致研發費用日益增長，每開發一代更先進的制程都會花費巨額的資金。就像之前消息intel豪擲200億建設晶圓廠，花費確實巨大，一時成為頭條新聞。

摩爾定律已經不僅僅是intel一個公司的理論，它影響到電子科技的發展。但是，與以Nvidia CEO黃仁勛為代表的廠商認為“摩爾定律已死”不同，AMD和ASML等仍然相信摩爾定律仍然生效。今年，ASML開發副總裁Tony Yen在接受《路透社》采訪時，仍表達了對摩爾定律的認可，“許多人說摩爾定律失效或減速，但我認為沒有，也沒有減速。就ASML的看法，摩爾定律可能還會再延續10 年，甚至更長。且芯片面積微縮未來還可持續至少10年。”

（圖：NVIDIA黃仁勛曾在GTC稱“摩爾定律已終結”）

現在

中國也要推翻摩爾定律？

芯片行業如果一直按照摩爾定律推進的話，那么中國半導體將永遠趕不上之前的選手，而摩爾定律的逐漸失效給了中國國產化半導體一個機遇。

在一些應用芯片領域，中國企業有了不小起色。比如華為海思麒麟已躋身手機芯片行業*梯隊，比如高德紅外探測器芯片，在技術水平上已經超過歐洲，比肩美國企業。中國也成為全球五個掌握軍用紅外探測器核心技術的*之一。

工藝方面，2月25日，清華大學工程物理系教授唐傳祥研究組與德國團隊在*期刊《自然》（Nature）上發表了題為“穩態微聚束原理的實驗演示” 的研究論文，報告了一種新型粒子加速器光源“穩態微聚束”（Steady-state microbunching，SSMB）的*原理驗證實驗。目前，清華大學正積極支持和推動SSMB EUV光源在*層面的立項工作。清華SSMB研究組已向*發改委提交“穩態微聚束極紫外光源研究裝置”的項目建議書，申報列為“十四五”*重大科技基礎設施。（消息來源：清華大學）