台积电刘德音撰文：未来几十年是半导体的黄金时代

半个多世纪以来，半导体一直是技术创新的核心，技术的进步与半导体性能、能耗和成本的发展同步。现在，随着对高性能计算 (HPC) 以及 5G 和 AI 应用的需求不断增长，对技术进步的需求猛增，为半导体技术新想象的未来铺平了道路，其中可以拥有无限可能实现。

为了理解这个未来，回顾过去 60 年是有意义的，当时人们发明了一种将许多晶体管放在同一个芯片上的方法——集成电路 (IC) 或微芯片。在随后的几年中，半导体技术通过不断的小型化而进步，这包括按照摩尔定律预测的那样，集成电路上的晶体管数量每隔一年就会翻一番，该定律以美国工程师戈登·摩尔的名字命名。这种持续的进步使我们的手机拥有比 1969 年阿波罗 11 号登上月球的现在古老的 70 磅重的计算机更强大的计算能力。

半导体技术和集成电路的一个关键属性是不断降低每个功能的成本。随着时间的推移，这种持续的成本降低导致了半导体技术的普遍部署。例如，可视电话于 1970 年由 AT&T 首次商业化，但由于成本高昂，它的客户不到 500 个。

35年前台积电首创的纯代工模式的诞生，帮助半导体技术大规模降低成本。在这种模式下，纯代工厂运营的半导体制造厂专注于为其他公司生产 IC，而不是提供自己设计的 IC 产品。由于 IC 生产设施的建造和维护成本高昂，并且可能会大量消耗公司的资金，因此将这种生产外包给代工厂可以让公司将资源集中在最终产品上。这使得无晶圆厂（仅限设计）行业蓬勃发展，并帮助实现了使远程工作、在线学习、共享经济和娱乐流媒体成为现实的技术的大规模无处不在的部署。

COVID-19 及其带来的封锁成为技术创新的另一个转折点，在一年内发生了超过 10 年的数字化，增加了对半导体的需求。根据麦肯锡公司的数据，按照目前的速度，到 2030 年，全球半导体年收入将增长到超过 1 万亿美元，直接贡献 3 万亿至 4 万亿美元的全球电子产品增长。然而，持续降低成本的承诺导致人们低估了半导体的价值。正如最近的半导体供应链挑战清楚地表明，半导体无处不在，在现代社会中发挥着宝贵而重要的作用。

随着计算设备变得无处不在，通过全球网络生成和通信的数据量（通常是实时的）呈指数级增长。为了跟上这种增长，高性能计算 (HPC) 变得至关重要，并且正在呈现爆炸式增长。HPC 是高速处理数据和执行复杂计算以解决性能密集型问题的能力。如今，HPC 已经超越智能手机成为增长动力。根据Report Ocean的研究，它是半导体行业增长最快的领域之一，预计到 2027 年，全球 HPC 芯片组市场规模将从 2019 年的 43 亿美元达到 136.8 亿美元。

虚拟世界与物理世界的融合将给社会互动的方式带来翻天覆地的变化，并将通过 HPC 应用程序实现。除了由半导体制成的大量传感器和执行器之外，虚拟世界和物理世界的这种集成还需要智能设备、可穿戴设备、物联网等硬件，以及 5G、人工智能和大数据分析等技术，用于交流和理解信息, 和决策。对于这些应用中的每一个，半导体含量及其提供的价值都将迅速增加。

半导体将为越来越多的产品注入智能和新功能，从而提升这些产品的价值。例如，自动驾驶汽车将通过先进的芯片变得更加安全和节能，这些芯片允许执行复杂的软件功能和分析。德克萨斯大学的研究估计净能源减少 11% 至 55% 与美国当前的地面交通条件相比，基于这种预期的自动驾驶汽车能源效率。社会也期待着超出我们今天想象的新用户应用程序。半导体提供的计算能力将推动个性化和社区医学以及疫苗和药物发现。打击社交媒体上的虚假信息需要更好的算法和计算能力来训练人工智能模型。

例如，用于创建逼真的人类质量文本的最先进的 AI 语言模型之一 GPT-3需要 300 zetta-FLOPS（超级计算机性能的衡量标准）才能在高性能计算云上进行训练。作为回报，这种 AI 语言模型所支持的能力令人印象深刻。GPT-3 最近被《纽约时报》的科技专栏作家 Kevin Roose 用来完成书评。

人工智能通常被认为是一种主要涉及软件和算法的技术。然而，硬件技术打开了通往虚拟世界的大门，让我们能够使用从人工智能中获得的信息。因此，即使在虚拟世界中，物理也占据了中心位置。

随着半导体技术的进步以满足 5G 和 AI 时代的需求，能源效率已成为最重要的指标，不仅因为计算能力已经因无法散热而受到限制，而且因为全球计算能源使用的升级速度比任何其他应用领域。仅由于半导体技术，计算的能源效率一直在快速发展——每两年提高 2 倍——人们普遍乐观地认为，技术将像过去 50 年那样继续像发条一样发展。

这种经常与摩尔定律混为一谈的乐观主义也许比“定律”本身更重要。正是这种行业和整个社会共同的乐观态度，推动了行业迎接挑战，并使预言成为自我实现的预言。

在接下来的 50 年中，下一代可能会使用虚拟现实和增强现实 (VR/AR) 作为他们与世界互动的主要方式。今天的 VR/AR 头显平均重量超过一磅，电池寿命不到两到三个小时，而且价格高昂，这让我们想起了 25 年前的手机。要达到与当今手机相同的普及水平，VR/AR 设备需要提高 100 倍以上。这只能通过不断进步的半导体技术来实现。

未来几十年将是半导体行业的黄金时代。

在过去的 50 年里，半导体技术的发展就像在隧道里行走。前进的道路很明确，因为每个人都在努力遵循一条明确的道路——缩小晶体管。现在我们正在接近隧道的出口。隧道之外还有更多的可能性：从材料到架构的创新使新路径成为可能，以及由新应用定义的新目的地。我们不再受隧道的限制，我们现在拥有无限的创新空间。