【金捷摩托车150】摩尔定律死了吗？

作者|金胜旗

书籍| maozz

"预测摩尔定律死亡的人每两年增加一倍."

2018年是英特尔悲伤的一年。公司50周年大庆前一个月，挤了5年牙膏的CEO柯在奇因桃色事件辞职。

据外界猜测，这只是董事会寻找的一个小借口，因为就本身而言，这段恋情微不足道。

最重要的是，柯在奇是摩尔定律的反义词。在他的任期内，从14纳米到14纳米都很尴尬。摩尔定律是英特尔的基本法。

2018年，在半导体工艺技术上领先半个世纪的英特尔被台湾半导体Manufacturing反超。伴随AMD的LIJEN也在追赶。

Nvidia黄仁勋说摩尔定律已经死了。一代巨型发动机Risc开拓者大卫帕特森也说摩尔定律死了。

这几乎等于英特尔存在的意义消失了。科技界的指示灯变成了普通的赚钱机器。

只要看一下英特尔的财务报告，大体上还是可以的。新产品正在收缩，但由于云计算的强劲东风，英特尔的CPU仍然供应不足。

如果时间可以追溯到十多年前，英特尔会后悔两次拒绝道歉的日子。因为苹果培养了三星和台湾半导体Manew Pack Churing等两个对手。

在iphone第一代发布前一年，英特尔拒绝向乔布斯提供手机CPU并出售自己的ARM分部XScale。苹果选择了三星。

2012-2013年，苹果为了三星化找到了iphone 5S的A7处理器代工厂。传闻中的候选人英特尔没有收到，台湾半导体Manufacturing当时也没有准备收到这么大的名单。

此外，在三星忍受了一年的苹果投入巨资投资台湾半导体Manew Pack Churing，最终实现了20纳米A8的量产。当年英特尔已经开始量产14纳米，领先台湾半导体Manufacturing 1-1.5代。苹果对CPU性能的图腾式要求迫使台湾半导体Manew Pack Churing疾驰。

半导体先进工业需要太多的资金，苹果这个大客户的驱动终于给了台湾半导体Manuepack Churling水井喷洒的动力，在7nm处登上了顶峰。(威廉莎士比亚、半导体、半导体、半导体、半导体、半导体、半导体、半导体、半导体)格子心显然没有钱继续军备竞赛，因为先进工艺客户太少。

之后，诸葛亮毫无意义。错误谁都犯过。乔布斯当年也整理了ARM的股票，微软也整理了苹果的股票。

我们聊了半天，还是要回到摩尔定律。

英特尔灯塔暗的时候，大洋彼岸的比利时小镇鲁汶闪了一下。下图是IMEC的最新路线图，1纳米正式登场。事实上，IMEC几年前就对此深信不疑，IMEC的Roadmap已经变得司空见惯了。

IMEC是高科技重返欧洲的象征。ASML的硬核联盟构建了最新NXE3400系列EUV的半导体研究重镇，IMEC也是High NA EUV的原型共同开发合作伙伴。因此，IMEC可以说在实际机器上实现了1 ~ 3纳米技术。

下图是ASML的路线图。High NA EUV已经设计好了，所以从光刻的角度来看，至少在未来10年里，摩尔定律仍然被掌握。

下图是High NA超静室巨大的光学测量津滨仓库和巨大的EUV反射镜机器人。

IMEC认为，超过5纳米，晶体管Cell的图案可能是各种形状的FET管。

"640" height="319"/>

有没有越来越像乐高积木的感觉，接下来粗浅解释一下一些基础知识。

首先，有人会质疑道：原子直径才0.1nm(1 Å)，怎么可能把这么复杂的晶体管做到1nm。

确实如此。目前所谓制程技术或技术节点多少nm，并不是晶体管做到这么小了。

早期晶体管的缩小都是类似二维的，为了达到摩尔定律，长宽各缩小到0.7倍则面积缩小近一半)。传统ITRS定义技术节点是最小金属间距(MMP，即下图蓝色那根)的一半。但到了20/22nm引入FinFET以后，MMP的减少开始变得很慢，但是因为3D化后晶体管数量仍旧激增，厂商再用1/2MMP就显示不出来技术进步了。因此各家的命名就开始乱了起来：

• 20nm x0.7=14nm，所以新一代叫14nm；

• 14nm x0.7=9.8nm, 所以再新一代叫10nm；

• 10nm x0.7=7nm, 所以下一代叫7nm；

• 7nm x0.7=4.9nm, 所以再下一代叫5nm。

（请注意，上面这些0.7并未真正物理出现，只是假想如果二维缩小0.7而已。实际上看下图台积电10nm到7nm，MMP距离只是从42/44nm降到40nm）

从上图看，英特尔的10nm和台积电的7nm平面基础尺寸是近似的。为了对比技术差距，单位面积的晶体管数成为一个好方法。据分析数据，两者每平方毫米都是一亿个晶体管左右。但台积电早已量产（麒麟980/990，A12/A13，AMD Ryzen 3000等），但英特尔多年还是搞不定良率问题。

有专家猜测，英特尔10nm碰到的问题可能和它家激进地把导体从铜全面转到钴有关，而台积电和三星仍然用铜或镀钴。铜是很好的导体，但有个很讨厌的特性，就是在纳米尺度电阻会激增。

下图是很漂亮的示意图，图中铜颜色那个就是铜。实际的芯片里这些金属层可以有12层之多，把最底下的晶体管互联起来形成电路。

这就是最微观层面搭建的宏伟大厦。想想看，这是在芝麻大的空间里，上亿个晶体管上面复杂搭建了上亿根铜筋的混凝土建筑。

金属钌是替代铜的另一个选择。而在晶体管材料上，硅锗合金和拥有更佳电性能的铟、镓和砷化物也在被深度考虑或已应用。

下图很好地展示了在半导体发展历程中，人类绞尽脑汁使用了元素周期表上的各种可能，这还不包括各种化合物。

看到这种精神，你认为让科技精英们直接放弃摩尔定律，会那么容易吗？

5nm制程基本上还是会用已经成熟的FinFET架构，FinFET比平面Planar更大的电流和更快的开关速度足够支撑到5nm。只是光刻必须要用到EUV，否则掩模的层数要多到失控了。

目前各家的3nm方案都是更加立体的FET，nanosheet和nanowire等统称为GAA(Gate all around)。“到处都是闸门”，这个名字显示了这些小乐高晶体管的诡异模样。它们还包括了碳纳米管等各种复杂的材料。

IMEC目前笃信CFET将是打开1nm大门的钥匙，到那时各厂市场部宣传的单位将是埃米而不是纳米。

虽然这些技术都在实验室实现了，但是距离量产还有数不清的险阻。但最大的障碍是：钱。

目前开发一款7nm芯片的成本是3亿美元，5nm预测是5亿美元，而3nm很可能到10亿美元。

究竟未来能有几家公司需要做这种芯片呢？

这时，可怕的摩尔第二定律也闪现了威力：“新晶圆厂的成本每两年翻一番”。

目前新7nm工厂是150亿美元，那么5nm工厂将需要投资300亿美元，3nm则理论上是600亿美元。

正是因为各种不确定性或各种悲观，否定摩尔定律的声音越来越多。确实，对于目前硅架构存在量子隧穿效应极限。

不过，可行的方法不仅只有继续缩小晶体管的尺寸，还包括做多层晶体管的方案和叠加晶圆的方案等。

英特尔也在试图改进处理器架构的方法来实现另类摩尔定律，因为我们的最终目的是为了实现单位芯片面积计算力的每年提高。

早期CPU性能是靠提高主频实现的，但后来英特尔的Core架构和AMD的Zen架构都成功实现了主频不变算力的突破，所以这个思路一定还有突破空间。

从目前情况看，至少未来十年人类还有充足的技术手段继续倍增芯片性能。再往后，也许量子计算真的会到来？

声明：本文为作者投稿，版权归作者个人所有。

【End】