03.02 摩爾定律即將失效，中國芯片業應該如何應對？問答頭條網

2020-03-02 07:25:07 佚名

硅發佈

自英特爾的聯合創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）於 1965 年經過觀察稱每隔 18~24 個月，集成電路上可容納的元器件數目便會增加一倍，芯片的性能也會隨之翻一番，以他名字命名的「摩爾定律」便成了幾十年來半導體行業進步背後的金科玉律。

▲戈登·摩爾

像是在上世紀 60 年代第一批集成電路上的 10 多個晶體管到目前的芯片上動輒上百億個晶體管，摩爾定律在很大程度上主導了科技產品的迭代更新以及自我實現。

▲蘋果 A12X 芯片上集成了 100 億個晶體管，圖自：Apple

不過這一套幾十年來一直管用的定律卻也越來越顯現出了其侷限性，最突出的表現便是各大半導體廠商近年來被用戶吐槽的「擠牙膏」行為了。

就連發現摩爾定律的英特爾自己，若按照其 2007 年之後提出的每兩年「鐘擺」（Tick-Tock）策略進行產品升級，本應在 2016 年就推出其 10nm 工藝的處理器，然而事實上英特爾的 10nm 處理器已經連續跳票了 3 年直至今年。

那麼摩爾定律真的失效了麼？

▲英特爾鐘擺策略示意，圖自：Intel

在談論這個問題之前，我們首先得弄清目前是什麼限制了摩爾定律的繼續發展。

我們都知道芯片製程工藝的提升能夠減小晶體管的面積，使得相同面積的芯片上能集成更多的晶體管，同時還能降低晶體管的功耗及硅片成本，而這固然是其好的一方面。但隨著製程工藝提升，以納米為長度單位的晶體管之間由於距離太短、絕緣層太薄，漏電的情況同樣也就隨之而來了，這反而增加了芯片的功耗（這也是此前臺積電因漏電率高導致功耗大而被戲稱為「臺漏電」的原因）。

不過即使漏電的情況已經能通過多種辦法得以緩解或者解決，但當晶體管在 10nm 以下時，由於晶體管的電子會產生「量子隧穿效應」，導致電子不按設計的道路移動，運算準確性將受到嚴重影響，以硅為基礎的芯片材料或許將被替代。

綜上，摩爾定律前方的一大阻力便是芯片本身的物理極限。

▲目前英特爾的晶圓，硅或許在未來將被替代，圖自：Intel

此外，另一大阻礙則是芯片研發的成本越來越高。

雖說上文提到製程工藝提升的結果使得單位面積相同的晶圓能造出更多芯片從而能降低成本，但也正是由於芯片未來發展存在種種障礙，使得芯片要想邁向更高的臺階，半導體廠商的投入將呈倍數增長。

根據 AMD 在 IEDM 會議上的資料，若將生產 250 平方毫米的 45nm 芯片的生產成本定為基準 1，14/16nm 芯片的成本將達到 2，而生產 7nm 芯片的成本更將翻倍達到 4。

▲圖自：AMD

而具體的研發投入金額在下面這張圖中則更為直觀。

從 65nm 2850 萬美元的研發投入到 16nm 的 1.06 億美元再到 5nm 的 5.42 億美元，不難發現，芯片越來越成為一場燒錢的遊戲。至於更加先進的 3nm 芯片的研發成本，IBS 的 CEO Handel Jones 則表示將達到 40 億至 50 億美元，而若加上建造一座每月生產 40000 片晶圓的工廠，成本更是將達到 150~200 億美元。

但是據估算，到 3nm 芯片的時代，如此高昂的成本相較於性能的提升將從現在的 30% 下降至約 20%，這顯然十分划不來，而且這樣的投入還不一定能換來消費者的買單。

▲圖自：IBS

至此，可以說摩爾定律或許真的已經走到了盡頭，芯片未來的發展也面臨著諸多的挑戰，不過這並不意味著芯片產業將陷入停滯。

英偉達 CEO 黃仁勳就一直在鼓吹摩爾定律已經過時，而縱觀英偉達在近期的動作，高端顯卡產品越賣越貴，中端的產品線則越來越豐富，在佩服「老黃刀法」日益精湛的同時，或許我們也要習慣因技術創新難度越來越高產品越來越貴的未來。跟智能手機一樣，芯片產業的增長或許也將轉為依靠價格的提升。

▲英偉達 CEO 黃仁勳展示 RTX 2060 顯卡

此外，人腦的神經元總數約有 1000 億個，是芯片的晶體管能夠達到的數量，卻實現了芯片所達不到的眾多多樣性的功能，所以或許芯片的進步也可以從硬件的進步切換至算法及軟件上的進步，用相同的芯片實現更多的功能。

一些芯片製造商也在為特定的應用設計單獨的芯片，以支持單獨領域的發展進步，而不是試圖去創造一個一刀切的硬件，比如華為的為 AI 而設計的 NPU 等。

當然，或許還有一個終極解決方案——量子計算？

極客視界

還應對什麼，抓住機會啊，摩爾定律失效對中國芯片業就是天大的好消息，是臺積電、三星最不願意面對的結局！在芯片製程競爭的賽道上，臺積電、三星等巨頭已經把中國選手甩開了四五圈，摩爾定律失效意味著臺積電和三星被迫停下奔跑的腳步，然後眼睜睜看著中國芯片製造企業追上來。

摩爾定律失效，是臺積電、三星等芯片代工巨頭最不願意面對的局面，這意味著國內芯片製造企業逮到了一個千載難逢的機會。

摩爾定律對中國芯片製造業來說，是一個殘酷的存在：集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換句話說，芯片工藝製程的換代速度是一年半到兩年時間。

芯片工藝製程換代的這個速度有多恐怖？我們來對比汽車產業和家電產業。汽車的垂直換代時間一般是5年，當然也有超過5年的，比如沃爾沃S60八年不換代，被網友吐槽的體無完膚。家電產品中的大家電一般三到四年換代（不是推新型號）。和芯片工藝製造換代相比，這就是龜速。

芯片換代速度快使臺積電、三星很輕鬆地將國產芯片製造企業甩在身後。特別是芯片代工巨頭臺積電，這幾年製程工藝換代速度明顯加速，從2014年起，幾乎是每一年換一代，超越摩爾定律。具體見下圖：

國產芯片製造企業的排頭兵是中芯國際，目前14nm製程工藝還沒有完全搞定，而臺積電已經啟動7nm量產，最快明年就能導入5nm製程工藝，整整領先中芯國際三代。中芯國際追臺積電追的滿嘴是灰，真的不能用一個“苦”字來形容。

芯片製造還是資金高度密集行業，一條28nm工藝製程芯片生產線的投資額大約在50億美元，20nm工藝製程生產線高達100億美元，隨著製程工藝升級換代，生產線投資呈幾何級飆升。

製程工藝落後，就很難吸引到高通、蘋果、華為、聯發科等大客戶，生產線投資難以收回，企業就難以進入“雞生蛋，蛋孵雞”的良性循環。

這就是臺積電、三星碾壓國內芯片製造企業的秘密：我只需要保持製程工藝領先你一到兩代，就能讓你湯都喝不到，只能聞味兒。

現在好了，摩爾定律如果失效，臺積電、三星利用代際差碾壓國內芯片製造企業的競爭策略將失效，一旦中芯國際獲得和巨頭們並跑的機會，就可能搶到華為、蘋果的芯片訂單，經營進入良性循環。屆時，芯片代工領域將由現在的兩強爭霸，變為群雄紛爭，一舉扭轉國產芯片的被動局面。

受物理規律限制，在沒有找到新材料的前提下，摩爾定律將很快失效。讓我們拭目以待。

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魔鐵的世界

摩爾定律並沒有失效啊。

摩爾定律是這樣的:當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

現在來看，芯片工廠依然能夠保持著這種速度，2015年的時候，臺積電的工藝就是16nm，而2017年，他們已經進步到了10nmFF工藝了。這期間它們的晶體管密度肯定增加了一倍，而蘋果A11處理器的性能也比A9提升了一倍左右。現在，臺積電的7nm已經量產，5nm也會在明年年底試產，實際上。我們根本看不到摩爾定律失效的跡象。

可能很多人認為摩爾定律即將失效是因為英特爾突然停滯，但我們看這兩年英特爾的發展路線就能看出這是因為英特爾在轉移重點。英特爾正在努力讓自己多元化起來，他們發力於儲存，AI芯片和自動駕駛等新興領域。以至於他們有些淡忘了芯片工廠。去年，英特爾在某次會議上就表示自己的7nm工藝也已經研發完成了。當然，這還有光刻機的問題，因為光源不達標，英特爾現在也沒有一臺EUV光刻機。

我們能做的就是盡力追趕，因為我們沒有多少技術儲備。

看球人

如今的計算機或者 IT 產品性能一年比一年好，容量一年比一年大，但是我們還是不得不一年換一次，這究竟是為什麼？

我最直觀的感受就是手機在使用一段時間以後會越來越卡，體驗越來越差，你們肯定也是如此，之前一直都沒深思過這個問題，大家都是認為裝的東西太多了。

今天看到了「摩爾定律」與「安迪比爾定律」才發現事情的一些規律，我們先來看「摩爾定律」。

摩爾定律

估計大多數人都聽說過這個定律，它是由英特爾的創始人戈登摩爾在 1965 年就提出了，其內容為：

當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個月翻一倍以上。

意思就是說計算機或者 IT 產品的性能每一年半到二年的時間就可以翻一倍，或者等同等性能的產品，在一年半到二年以後價格就會降低一半，這個趨勢已經持續了半個世紀，直到最近幾年才失效，因為現在的 IT 產品的性能已經達到了性能的發展瓶頸。

在我的印象中大概08年前後的時候我還在上高中，能見到的 U 盤的容量大多都是128M有的能有個 256M算高的了，手機上個農場，偷個菜還全都是文字界面，點下偷菜數學老師都能講解一道橢圓題目了。

反觀今天，U 盤的容量已經上升到幾百 G ，1T 的容量，手機也不單單是看看文字這麼簡單，我們已經隨時隨地的農藥，隨時隨地的吃雞，性能的提升已經是超乎你的想象。

哈，這時候肯定有人會抖個小機靈，是不是我想買的計算機或者 IT 產品等個一年半載的就能買到半價的產品了呢？我只能說你想多了，想的太簡單了。

假如要真是這樣那技術就沒人創新，沒有革命了，誰還有動力，這就是我們要說的安迪比爾定律。

安迪比爾定律

安迪比爾定律是對 IT 產業中軟件和硬件升級換代關係的一個概括。

安迪就是英特爾前 CEO 安迪·格魯夫，比爾大家都熟悉就是比爾·蓋茨，雖然我們的計算機和 IT 產品的性能每年都會翻一番，但是微軟的操作系統也在不停地迭代當中也越來越大，會讓你的電腦越來越慢，雖然你等了二年買到了低價錢產品，但是微軟的操作系統已經二年後的了。

你的體驗還是會和原來一樣，不會有大的變化，如果你想要一個好的體驗就必須更新換代，使用最新的產品否則你的體驗會越來越差。

估計有人會罵街了，狗日的蓋茨原來是你坑害了我們的利益。這種現象，乍一看上去貌似是蓋茨的問題，但實際上他也不想，但隨著操作系統的迭代升級，更強大的功能，更好的用戶體驗，系統會越來越大，而且許多的硬件廠商也等著微軟的系統升級。

因為系統的升級會帶來更大的硬件性能的需求，會帶動他們的銷量，例如：2006年，因為微軟系統 Vista 遲遲不上市，導致因特爾，惠普，戴爾銷量收了很大的影響，甚至是股票都跌了20%-40%之多。

這下終於明白了，微軟的系統也好，安卓或者 IOS 也吧，整天提醒我們去升級系統了吧，因為他們是一個利益共同體，不過更好的是他們也相應的提升了用戶體驗。

因為這樣的利益存在，系統越來越大的同時，硬件也會有更大的投入，提升硬件的性能以滿足系統的需求，然後硬件性能的提升，又能促使軟件功能更加豐富，更加華麗，就這樣達到一個雙贏的聯盟，一個利益的共同體。

所以我們每年不得不換手機，換電腦，換 IT 產品，你看其實不是你想換！就這樣，安迪比爾定律把原本屬於耐用消費品的電腦、手機等商品變成了快消品，逼著我們每年都需要更新設備。

不過正是因為這樣，它刺激著整個 IT 領域的發展，時代的進步，不要然我們上哪能體驗到這麼好用的電腦，手機。

六小登登

首席投資官評論員門寧：

摩爾定律——出自英特爾聯合創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）之手——意指：每兩年芯片中集成的晶體管數量就會翻一番。

摩爾定律存在，是半導體企業保持技術領先的重要原因。

因為技術的不斷更迭，讓頭部企業可以始終保持技術優勢，進而獲得更高毛利。而技術落後的企業，將持續處於追趕態勢，且由於技術落後無法獲得與頭部企業相同的利潤率，低利潤的情況下，追趕難度可想而知。

我們現在就處在追趕者的位置上，目前臺積電已經可以量產7nm製程的芯片，而大陸半導體制造商中芯國際14nm預計要在明年1季度才能實現量產。中芯國際在過去始終落後臺積電兩個世代以上。

隨著製程不斷縮小，製程已經逐漸接近硅原子的直徑，目前有傳言5nm或3nm就是硅半導體制程的極限。未來臺積電很可能會在5nm或3nm突破後遇到瓶頸，這給作為追趕者的中芯國際贏得了時間。

中芯國際現在要應開足馬力，加快研發，利用這個千載難逢的機會縮小與臺積電的差距。前臺積電、三星大將梁夢松博士加入中芯國際後，中芯14nm製程研發進度明顯加快。

中芯國際在中報中公佈：第一代14nmFinFET技術研發已進入客戶導入階段，28nmHKC+技術開發完成，28nmHKC持續上量，良率達到業界水平。

相信中芯通過5-10年的追趕，有機會進入半導體制造的第一梯隊。

首席投資官

美國目前的應對方法——張首晟組建的“IBM-斯坦福自旋電子研究中心”提出電子自旋理論並正在將其成功產業化，如果成功，這對美國電子業、芯片業來說無疑是重獲新生。

美國六大科技公司投資這一科研項目的合作模式，對企業還有另一個好處。比方說現在斯坦福做的還是一個比較實驗性的工作，但斯坦福的學生畢業後大部分會去六大科技公司，因為他們平時做研究時就與公司保持緊密聯繫，這樣一旦做成，最後開花結果可能還是在公司裡面。中國在產學研相結合問題上一定要邁出這一步。

雖然中國一直非常注重前端的創新，但總的來說不成功。這一重新洗牌機會也是中國芯片業唯一一個可以彎道超車的機會。臺灣地區在上世紀60－70年代抓住了芯片設計與代工相脫節的機遇，賺了很多錢。中國大陸這麼多年，基本上是在用政府的良好政策和較低人工成本來拷貝這一模式。

清華大學及中科院物理所在這方面做的實驗也很漂亮。就電子自旋學來說，中國科研界在尋找更容易生產的材料及把工作溫度提得更高兩個方面，已經做了很多工作。

當然要彎道超車的前提是，半導體工業也要有超前意識，不能整天打價格戰，說我們這裡便宜你們就過來。這不是一個很成功的模式。中國政府完全可以來做這方面的研究和投資，但最好的方式還是要比較有意識地與工業界聯繫，使後者也成為一個股東，不用承擔太大風險。中國已經有一些知識產權，但一個東西要做成一個行業需要成百上千個專利，中國仍有機會介入。但如果不做的話，美國又會把整個領域佔領，到時候中國將又碰到同樣的問題——跟在後面、花很多錢去買專利。