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传统芯片方法论,走向穷图末路

2022-03-07
来源:半导体行业观察

 摩尔定律不是一个实际的自然法则,但这个几十年前做出的大胆声明已经预言了技术的令人眼花缭乱的进步。但现在它快要动摇了。从汽车到智能手机再到我们的公用事业,为我们周围的一切提供动力的业务也面临着一场清算。
     在半导体技术发展的早期, 英特尔联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)假设集成电路上的组件数量每年都会翻一番。这个来自1965 年的预测,现在被称为摩尔定律,后来被修改为晶体管数量大约每两年翻一番。几十年来,随着芯片行业推出了曾经难以想象的设备,然后不断地自我提升,进步已经取得了进展。
     例如, 苹果为其高端笔记本电脑提供动力的M1 Max 芯片拥有令人难以置信的 570 亿个晶体管。技术不断进步以缩小芯片的尺寸:数以万计的晶体管可以容纳在不比人类头发宽的区域中。较小的晶体管也更快、更便宜,使计算能力呈指数级增长并提高了生产力。现在,你口袋里的智能手机比 50 多年前帮助人类登上月球的大型计算机功能更强大,而且成本只是其中的一小部分。
     多年来,许多人为这项定律写了讣告,但芯片制造商已经推动了技术的发展,寻找新的方法来增加计算能力。最新的例子之一是极紫外光刻(EUV)技术,该技术使用较短波长的光在芯片上蚀刻超精细特征。荷兰公司 ASML 是唯一一家为芯片制造商制造 EUV 机器的公司。每个成本约为 1.5 亿美元,但随着世界争相增加产能,制造商积压了大量订单。
     但随着晶体管尺寸现在接近原子水平,它似乎不可避免地很快就会达到一些物理极限。晶体管之间的距离现在以几十纳米为单位。一纳米大约是5个硅原子宽。
甚至在物理定律最终结束摩尔先生 57 年前预测的趋势之前,经济定律可能就会结束。制造最先进芯片的成本已经飙升,并且随着技术的每次迭代而变得更加昂贵。
     “Moore's Law可能会继续下去,但在经济上根本就不行,”出版半导体时事通讯的行业分析师 Douglas O'Laughlin 说。
     每一代新芯片——称为工艺节点——都需要更多的步骤。这意味着由于涉及数千个复杂步骤的过程中出现错误的可能性更高,因此良率会降低。几十年来,每个晶体管的成本已经停止下降,甚至还在上升。
     这也意味着建造一个领先的制造厂的成本可能远远超过 100 亿美元——除了那些财力雄厚的公司之外,这对所有公司来说都太贵了。目前只有三个正在尝试。全球最大的合同半导体制造商台积电计划今年的资本支出为 400 亿至 440 亿美元。韩国 三星电子 计划投资 170 亿美元在德克萨斯州泰勒建立芯片制造厂。摩尔先生共同创立的公司英特尔将在俄亥俄州建造两家芯片厂,初期投资为 200 亿美元。
      但也许摩尔定律不再是思考进一步发展的正确方法。因为方法不止一种。例如,设计人员可以使芯片更适合他们的任务。苹果通过为 iPhone、iPad 和最近的 Mac 电脑设计自己的处理器来证明这一点——在后者中取代了英特尔的处理器。与现成的芯片相比,定制芯片可以更好地利用设备的计算能力,尤其是当它们由像苹果这样也控制设备软件的公司制造时。
     芯片制造商还可以使用“Chiplet”方法,该方法有效地缩小处理器的一部分,并将这些Chiplet与内存和其他组件封装在一起,这种方式制造的成本较低,但仍能提高整体性能。
     SemiAnalysis 首席分析师迪伦·帕特尔 (Dylan Patel) 表示:“现在工艺技术中有一个金发姑娘区,不同的节点实际上更适合不同的拼图。” “缩小整个芯片或将所有东西放在最先进的节点上实际上会花费更多,并不一定意味着更好的性能和功率。”
     使用氮化镓等新材料来代替硅可能是一种以更低成本继续封装更多晶体管的方法。另一个可能的候选者是碳纳米管——由石墨烯制成的管状结构,直径仅为纳米。
     称某事为“定律”,听起来是一成不变的。摩尔先生的预测更像是一个预言——一个自我实现的行业参与者竭尽全力努力实现自己的目标。这并不意味着几十年前看起来很神奇的现在常规设备在 20 年后仍将代表尖端技术。事后看来,进展速度可能不那么令人难以置信。
     定律的狭义定义——晶体管密度有规律地翻倍——可能无法继续下去,但人类的聪明才智是无止境的。




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