“預測摩爾定律死亡的人每兩年翻一番”
2018年是英特爾悲哀的一年。就在公司50週年大慶前一個月，擠了五年牙膏的CEO柯再奇因桃色事件辭職。
外界猜測，這只是董事會找的一個小藉口幹掉他，因為本身這個戀情微不足道。
最關鍵的是，柯再奇簡直就是摩爾定律的反義詞。在他任內，從14nm到14nm+++尷尬無比。而摩爾定律就是英特爾的基本法。
2018年，在半導體制程技術上曾遙遙領先半個世紀的英特爾被臺積電反超。老陪襯AMD的RyZen居然在也迎頭趕上。
Nvidia的黃仁勳說，摩爾定律已經死啦。一代巨擎Risc先驅David Patterson也說摩爾定律死了。
這幾乎等於說，英特爾存在的意義消失了。一個科技界的指路明燈變成了一個普通的賺錢機器。
一、
如果單看英特爾的財報，總體來說還是不錯的。雖然在新產品上捉襟見肘，但是搭著雲計算強勁的東風，英特爾的CPU還是供不應求。
如果時光倒流到十多年前，英特爾一定後悔兩次拒絕蘋果的日子。因為蘋果培養了它的兩大對手：三星和臺積電。
在iPhone第一代發佈前一年，英特爾拒絕了為喬布斯提供手機CPU並賣掉了自己的ARM分部XScale。蘋果選擇了三星。
2012-2013年，蘋果為了去三星化尋求iPhone 5s的A7處理器代工廠。傳聞中的候選人英特爾卻沒有接，臺積電當時也沒準備好接這麼大的單子。
又在三星忍了一年的蘋果，砸巨資投向臺積電，終於實現了20nm A8的量產。當年英特爾已經開始量產14nm，領先臺積電1-1.5代。蘋果對CPU性能的圖騰式要求倒逼了臺積電的一路狂奔。
半導體先進製程需要太多資金的投入，蘋果這個大客戶的驅動終於給臺積電井噴的動力，並在7nm站到巔峰。而格芯很明顯是先進製程客戶太少，導致沒有錢繼續軍備競賽。
二、
事後諸葛亮是沒有意義的，錯誤誰都犯過：喬布斯當年也清倉過ARM的股票，微軟也清倉過蘋果的股票。
我們八卦了半天，還是要回到摩爾定律這個話題。
在英特爾燈塔暗淡的同時，大洋彼岸的比利時小鎮魯汶則熠熠生輝。下圖是IMEC最新路線圖，1nm已經正式出場。其實IMEC數年前就對此堅信不疑，而英特爾的Roadmap早就淪為平庸。
（Photo Credit: IMEC）
IMEC是尖端技術迴歸歐洲的一個象徵。作為ASML的鐵桿盟友並部署了最新NXE3400系列EUV的半導體研究重鎮，IMEC也是High NA EUV的原型機聯合研發合作伙伴。因此IMEC是最有底氣說，它在真機上實現了1~3nm技術。
下圖是ASML的路線圖。由於High NA EUV已經設計完成，所以從光刻角度認為至少未來十年摩爾定律還在掌握之中。
（Photo Credit: ASML）
下圖是High NA超淨室裡的巨型光學測量真空倉和巨大的EUV反射鏡機械手。
（Photo Credit: ASML）
IMEC認為，超越5nm以後，晶體管Cell的模式可能是各種形狀的FET管子。
（Photo Credit: IMEC）
有沒有越來越像樂高積木的感覺，接下來粗淺解釋一下一些基礎知識。
三、
首先，有人會質疑道：原子直徑才0.1nm(1 Å)，怎麼可能把這麼複雜的晶體管做到1nm。
確實如此。目前所謂製程技術或技術節點多少nm，並不是晶體管做到這麼小了。
早期晶體管的縮小都是類似二維的，為了達到摩爾定律，長寬各縮小到0.7倍則面積縮小近一半(0.7x0.7=0.5)。傳統ITRS定義技術節點是最小金屬間距(MMP，即下圖藍色那根)的一半。但到了20/22nm引入FinFET以後，MMP的減少開始變得很慢，但是因為3D化後晶體管數量仍舊激增，廠商再用1/2MMP就顯示不出來技術進步了。因此各家的命名就開始亂了起來：
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7nm7nm x0.7=4.9nm, 所以再下一代叫5nm
（請注意，上面這些0.7並未真正物理出現，只是假想如果二維縮小0.7而已。實際上看下圖臺積電10nm到7nm，MMP距離只是從42/44nm降到40nm）
（Photo Credit: WikiChip）
從上圖看，英特爾的10nm和臺積電的7nm平面基礎尺寸是近似的。為了對比技術差距，單位面積的晶體管數成為一個好方法。據分析數據，兩者每平方毫米都是一億個晶體管左右。但臺積電早已量產(麒麟980/990，A12/A13，AMD Ryzen 3000等)，但英特爾多年還是搞不定良率問題。
四、
有專家猜測，英特爾10nm碰到的問題可能和它家激進地把導體從銅全面轉到鈷有關，而臺積電和三星仍然用銅或鍍鈷。銅是很好的導體，但有個很討厭的特性，就是在納米尺度電阻會激增。
下圖是很漂亮的示意圖，圖中銅顏色那個就是銅。實際的芯片裡這些金屬層可以有12層之多，把最底下的晶體管互聯起來形成電路。
這就是最微觀層面搭建的宏偉大廈。想想看，這是在芝麻大的空間裡，上億個晶體管上面複雜搭建了上億根銅筋的混凝土建築。
金屬釕是替代銅的另一個選擇。而在晶體管材料上，硅鍺合金和擁有更佳電性能的銦、鎵和砷化物也在被深度考慮或已應用。
下圖很好地展示了在半導體發展歷程中，人類絞盡腦汁使用了元素週期表上的各種可能。這還不包括各種化合物。
（Photo Credit: SEMI）
看到這種精神，你認為讓科技精英們直接放棄摩爾定律，會那麼容易嗎？
五、
5nm製程基本上還是會用已經成熟的FinFET架構，FinFET比平面Planar更大的電流和更快的開關速度足夠支撐到5nm。只是光刻必須要用到EUV，否則掩模的層數要多到失控了。
（Photo Credit: IMEC）
目前各家的3nm方案都是更加立體的FET，nanosheet和nanowire等統稱為GAA(Gate all around)。“到處都是閘門”，這個名字顯示了這些小樂高晶體管的詭異模樣。它們還包括了碳納米管等各種複雜的材料。
IMEC目前篤信CFET將是打開1nm大門的鑰匙，到那時各廠市場部宣傳的單位將是埃米而不是納米。
雖然這些技術都在實驗室實現了，但是距離量產還有數不清的險阻。但最大的障礙是：錢。
目前開發一款7nm芯片的成本是3億美元，5nm預測是5億美元，而3nm很可能到10億美元。
究竟未來能有幾家公司需要做這種芯片呢？
這時，可怕的摩爾第二定律也閃現了威力：“新晶圓廠的成本每兩年翻一番”。
目前新7nm工廠是150億美元，那麼5nm工廠將需要投資300億美元，3nm則理論上是600億美元。
六、
正是因為各種不確定性或各種悲觀，否定摩爾定律的聲音越來越多。確實，對於目前硅架構存在量子隧穿效應極限。
不過，可行的方法不僅只有繼續縮小晶體管的尺寸，還包括做多層晶體管的方案和疊加晶圓的方案等。
英特爾也在試圖改進處理器架構的方法來實現另類摩爾定律，因為我們的最終目的是為了實現單位芯片面積計算力的每年提高。早期CPU性能是靠提高主頻實現的，但後來英特爾的Core架構和AMD的Zen架構都成功實現了主頻不變算力的突破，所以這個思路一定還有突破空間。
從目前情況看，至少未來十年人類還有充足的技術手段繼續倍增芯片性能。再往後，也許量子計算真的會到來？
END
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