1324
戈登·摩爾，這位半導(dǎo)體與計算機(jī)行業(yè)的傳奇人物已離我們而去，但他提出的“摩爾定律”仍在影響著半導(dǎo)體行業(yè)。日本半導(dǎo)體專家湯之上隆，將在本篇文章中帶我們重新認(rèn)識這一半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的“底層代碼”。
以下為編譯全文：《周期是本質(zhì)，摩爾定律的秘密持續(xù)了50多年》
座右銘是摩爾定律
戈登·摩爾（Gordon Moore）是英特爾的聯(lián)合創(chuàng)始人，以摩爾定律的倡導(dǎo)者而聞名，該定律指出晶體管集成度每隔18-24個月就翻一番，他于2023 年 3 月 24 日在美國夏威夷的家中去世，享年94歲。
筆者于1987年加入日立株式會社，成為一名專門從事微細(xì)加工技術(shù)的半導(dǎo)體工程師?？梢钥闯?，晶體管的高集成度和微型化一直是筆者工作的主題，摩爾定律是筆者的座右銘。
換句話說，從我作為一名半導(dǎo)體工程師的那一刻起，摩爾定律就伴隨在我身邊。為此，筆者對摩爾先生去世的消息感到一絲涼意。與此同時，人們不禁想知道，指導(dǎo)全球半導(dǎo)體行業(yè)50多年的摩爾定律，是如何成為一個偉大的指南針的？
因此，在本文中，我想以紀(jì)念摩爾先生的意義再次考慮摩爾定律的本質(zhì)。
什么是摩爾定律？
圖1由Gordon Moore于1965年4月19日在一篇題為“將更多元件塞進(jìn)集成電路”（計算機(jī)歷史博物館）的論文中發(fā)表。
圖1 Gordon Moore首次宣布的“摩爾定律”；來源：Moore，Gordon E.， 計算機(jī)歷史博物館， “將更多元件塞進(jìn)集成電路”
該圖的縱軸是每個集成功能（半導(dǎo)體芯片）的元件（晶體管）數(shù)量。此外，它被寫成Log2，這表明晶體管的數(shù)量呈指數(shù)增長。然而，該圖只涵蓋了1959年至1975年，不可能讀出 "集成水平在兩年內(nèi)翻倍"。
后來，1968年與羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）一起創(chuàng)立英特爾的戈登·摩爾（Gordon Moore）在1975年糾正了摩爾定律，稱“集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月到24個月便會增加一倍”。迄今為止，晶體管集成度以幾乎“兩年內(nèi)翻一番”的速度增長。換句話說，摩爾在1965年的預(yù)測已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)半個多世紀(jì)的指南針。
而摩爾定律延續(xù)的背后，還有另一個定律。
德納德縮放比例定律
1974年，在摩爾糾正摩爾定律的前一年，IBM的Dennard發(fā)表了一篇論文，指出“隨著晶體管密度的增加，每個晶體管的功耗會下降，因此，每平方毫米硅的功耗幾乎是恒定的。”（圖2）。由于硅的計算能力隨著每一代新技術(shù)的發(fā)展而提高，計算機(jī)將變得更加節(jié)能。這被稱為德納德的“縮放定律”。
圖2 德納德縮放比例定律；來源：“具有非常小物理尺寸的離子注入MOSFET的設(shè)計”，IEEE Journal of Solid-State Circuits SC-9 （5）
例如，將圖3中的K=2代入可將晶體管的電路延遲降低1/2（相反，速度增加一倍），功耗降低1/4，集成度提高四倍。順便說一下，每個晶體管的成本也降低了四分之一。
換句話說，如果按照Dennard的“縮放定律”將晶體管微型化，則可以在沒有任何電路設(shè)計的情況下一舉實現(xiàn)高速、低功耗、高集成度和低成本。
簡而言之，摩爾定律——晶體管高集成度的指南針，以及德納德的 "縮放定律"——即晶體管越小，性能越高，已經(jīng)成為半個多世紀(jì)以來汽車的兩個輪子，"晶體管集成度在兩年內(nèi)翻了一番，晶體管尺寸在同樣的兩年內(nèi)縮小了70%"。這種情況已經(jīng)持續(xù)了半個多世紀(jì)（圖3）。
圖3 歷經(jīng)50多年的摩爾定律（背后是德納德縮放比例定律）；來源：作者參考JEITA制作
摩爾定律的本質(zhì)是什么？
現(xiàn)在，讓我們重新思考一下摩爾定律的本質(zhì)。2023年2月20日，筆者參加了由《科學(xué)與技術(shù)》雜志組織的題為 "半導(dǎo)體器件入門 "的研討會，該研討會由日本晶體管研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物、東京大學(xué)的高木信一教授主講。原因是我想重新學(xué)習(xí)晶體管的基礎(chǔ)知識，研究晶體管技術(shù)的發(fā)展趨勢。
筆者通過高木教授的講座，對摩爾定律的本質(zhì)有了新的認(rèn)識。高木教授對摩爾定律的本質(zhì)做了如下解釋（圖4）。
圖4：摩爾定律的本質(zhì)；資料來源：高木信一（東京大學(xué)）2023年2月20日 "半導(dǎo)體器件入門 "講座的幻燈片。
1、半導(dǎo)體的附加值隨著晶體管的微型化而增加。因為微型化可以讓更高性能的半導(dǎo)體以更低廉的成本實現(xiàn)。
2、實現(xiàn)微型化和高集成度的半導(dǎo)體可以擴(kuò)大市場并獲得巨額利潤。
3、這些利潤將被繼續(xù)用于下一階段微型化的研發(fā)和資本投資。
換句話說，摩爾定律的本質(zhì)是延續(xù)這個循環(huán)。而通過這個循環(huán)，摩爾定律已經(jīng)持續(xù)了50多年。
在下文中，我們將表明，半導(dǎo)體制造商的成功與否取決于他們在上述循環(huán)中的能力。
Rapidus和臺積電的主要區(qū)別
對于在2022年10月宣布將在2027年之前量產(chǎn)2nm半導(dǎo)體的Rapidus公司，筆者對其一直呈否定態(tài)度。
如果思考一下Rapidus是否能實現(xiàn)圖4中的循環(huán)，就不難理解為什么Rapidus不會成功。Rapidus公司已經(jīng)宣布，到2027年將總共投資5萬億日元：2萬億日元用于開發(fā)，3萬億日元用于大規(guī)模生產(chǎn)。這些資金可能暫時由政府補(bǔ)貼來支付。
這相當(dāng)于圖4中的第三點，但之后卻不可能通過第一點進(jìn)入第二點。換句話說，即使能生產(chǎn)出2nm的半導(dǎo)體（甚至這也很困難），也不可能用這種技術(shù)實現(xiàn)"市場擴(kuò)張和獲得巨額利潤"。這是因為沒有fabless可以將生產(chǎn)外包給Rapidus。這意味著 "巨額利潤 "無法實現(xiàn)，對2nm之后的下一步——1.4nm的投資也將無法實現(xiàn)。
與之相反的是，站在微型化前沿的臺積電，已經(jīng)能夠成功地循環(huán)摩爾定律的周期。
如圖5所示，它已經(jīng)成功量產(chǎn)了最尖端的半導(dǎo)體，并增加了其銷售額。特別是從7nm開始，該公司已成為唯一的贏家，幾乎壟斷了最先進(jìn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品。因此，7nm后的銷售額比以前更高。
圖5 臺積電按技術(shù)節(jié)點劃分的季度銷售額；資料來源：作者根據(jù)臺積電的歷史經(jīng)營數(shù)據(jù)編制
因此，可以說摩爾定律現(xiàn)在被臺積電繼承了。臺積電于2022年12月29日開始量產(chǎn)3nm。計劃是在2024-2025年左右開始量產(chǎn)2nm。筆者將繼續(xù)關(guān)注摩爾定律在未來會持續(xù)多久。
作者簡介：湯之上隆先生為日本精密加工研究所所長，曾長期在日本制造業(yè)的生產(chǎn)第一線從事半導(dǎo)體研發(fā)工作，2000年獲得京都大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，之后一直從事和半導(dǎo)體行業(yè)有關(guān)的教學(xué)、研究、顧問及新聞工作者等工作，曾撰寫《日本“半導(dǎo)體”的失敗》、《“電機(jī)、半導(dǎo)體”潰敗的教訓(xùn)》、《失去的制造業(yè)：日本制造業(yè)的敗北》等著作。
