摩尔定律，散落人间

原创芯世相 2023-04-07 12:33

构建AI未来，Arm计算平台无处不在 示波器的最低带宽多少？

戈登·摩尔，这位半导体与计算机行业的传奇人物已离我们而去，但他提出的“摩尔定律”仍在影响着半导体行业。日本半导体专家汤之上隆，将在本篇文章中带我们重新认识这一半导体产业的“底层代码”。

作者简介：

汤之上隆先生为日本精密加工研究所所长，曾长期在日本制造业的生产第一线从事半导体研发工作，2000年获得京都大学工学博士学位，之后一直从事和半导体行业有关的教学、研究、顾问及新闻工作者等工作，曾撰写《日本“半导体”的失败》、《“电机、半导体”溃败的教训》、《失去的制造业：日本制造业的败北》等著作。

以下为编译全文：《周期是本质，摩尔定律的秘密持续了50多年》

座右铭是摩尔定律

戈登·摩尔（Gordon Moore）是英特尔的联合创始人，以摩尔定律的倡导者而闻名，该定律指出晶体管集成度每隔18-24个月就翻一番，他于2023 年 3 月 24 日在美国夏威夷的家中去世，享年94岁。

笔者于1987年加入日立株式会社，成为一名专门从事微细加工技术的半导体工程师。可以看出，晶体管的高集成度和微型化一直是笔者工作的主题，摩尔定律是笔者的座右铭。

换句话说，从我作为一名半导体工程师的那一刻起，摩尔定律就伴随在我身边。为此，笔者对摩尔先生去世的消息感到一丝凉意。与此同时，人们不禁想知道，指导全球半导体行业50多年的摩尔定律，是如何成为一个伟大的指南针的？

因此，在本文中，我想以纪念摩尔先生的意义再次考虑摩尔定律的本质。

什么是摩尔定律？

图1由Gordon Moore于1965年4月19日在一篇题为“将更多元件塞进集成电路”（计算机历史博物馆）的论文中发表。

图1 Gordon Moore首次宣布的“摩尔定律”；来源：Moore，Gordon E.，计算机历史博物馆， “将更多元件塞进集成电路”

该图的纵轴是每个集成功能（半导体芯片）的元件（晶体管）数量。此外，它被写成Log2，这表明晶体管的数量呈指数增长。然而，该图只涵盖了1959年至1975年，不可能读出 "集成水平在两年内翻倍"。

后来，1968年与罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）一起创立英特尔的戈登·摩尔（Gordon Moore）在1975年纠正了摩尔定律，称“集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍”。迄今为止，晶体管集成度以几乎“两年内翻一番”的速度增长。换句话说，摩尔在1965年的预测已经成为半导体行业半个多世纪的指南针。

而摩尔定律延续的背后，还有另一个定律。

德纳德缩放比例定律

1974年，在摩尔纠正摩尔定律的前一年，IBM的Dennard发表了一篇论文，指出“随着晶体管密度的增加，每个晶体管的功耗会下降，因此，每平方毫米硅的功耗几乎是恒定的。”（图2）。由于硅的计算能力随着每一代新技术的发展而提高，计算机将变得更加节能。这被称为德纳德的“缩放定律”。

图2 德纳德缩放比例定律；来源：“具有非常小物理尺寸的离子注入MOSFET的设计”，IEEE Journal of Solid-State Circuits SC-9 （5）

例如，将图3中的K=2代入可将晶体管的电路延迟降低1/2（相反，速度增加一倍），功耗降低1/4，集成度提高四倍。顺便说一下，每个晶体管的成本也降低了四分之一。

换句话说，如果按照Dennard的“缩放定律”将晶体管微型化，则可以在没有任何电路设计的情况下一举实现高速、低功耗、高集成度和低成本。

简而言之，摩尔定律——晶体管高集成度的指南针，以及德纳德的 "缩放定律"——即晶体管越小，性能越高，已经成为半个多世纪以来汽车的两个轮子，"晶体管集成度在两年内翻了一番，晶体管尺寸在同样的两年内缩小了70%"。这种情况已经持续了半个多世纪（图3）。

图3 历经50多年的摩尔定律（背后是德纳德缩放比例定律）；来源：作者参考JEITA制作

摩尔定律的本质是什么？

现在，让我们重新思考一下摩尔定律的本质。2023年2月20日，笔者参加了由《科学与技术》杂志组织的题为 "半导体器件入门 "的研讨会，该研讨会由日本晶体管研究领域的领军人物、东京大学的高木信一教授主讲。原因是我想重新学习晶体管的基础知识，研究晶体管技术的发展趋势。

笔者通过高木教授的讲座，对摩尔定律的本质有了新的认识。高木教授对摩尔定律的本质做了如下解释（图4）。

图4：摩尔定律的本质；资料来源：高木信一（东京大学）2023年2月20日 "半导体器件入门 "讲座的幻灯片。

1、半导体的附加值随着晶体管的微型化而增加。因为微型化可以让更高性能的半导体以更低廉的成本实现。

2、实现微型化和高集成度的半导体可以扩大市场并获得巨额利润。

3、这些利润将被继续用于下一阶段微型化的研发和资本投资。

换句话说，摩尔定律的本质是延续这个循环。而通过这个循环，摩尔定律已经持续了50多年。

在下文中，我们将表明，半导体制造商的成功与否取决于他们在上述循环中的能力。

Rapidus和台积电的主要区别

对于在2022年10月宣布将在2027年之前量产2nm半导体的Rapidus公司，笔者对其一直呈否定态度。

如果思考一下Rapidus是否能实现图4中的循环，就不难理解为什么Rapidus不会成功。Rapidus公司已经宣布，到2027年将总共投资5万亿日元：2万亿日元用于开发，3万亿日元用于大规模生产。这些资金可能暂时由政府补贴来支付。

这相当于图4中的第三点，但之后却不可能通过第一点进入第二点。换句话说，即使能生产出2nm的半导体（甚至这也很困难），也不可能用这种技术实现"市场扩张和获得巨额利润"。这是因为没有fabless可以将生产外包给Rapidus。这意味着 "巨额利润 "无法实现，对2nm之后的下一步——1.4nm的投资也将无法实现。

与之相反的是，站在微型化前沿的台积电，已经能够成功地循环摩尔定律的周期。

如图5所示，它已经成功量产了最尖端的半导体，并增加了其销售额。特别是从7nm开始，该公司已成为唯一的赢家，几乎垄断了最先进的半导体产品。因此，7nm后的销售额比以前更高。