半導(dǎo)體將在中國(guó)超越摩爾定律

當(dāng)前半導(dǎo)體已經(jīng)成為全球電子產(chǎn)業(yè)的命脈，但產(chǎn)業(yè)的基本規(guī)律——摩爾定律正逼近物理、技術(shù)和成本的極限，在6月9至11日的2021世界半導(dǎo)體大會(huì)暨南京國(guó)際半導(dǎo)體博覽會(huì)上，產(chǎn)業(yè)界對(duì)此進(jìn)行探討，并分化出兩條路徑：延續(xù)摩爾定律或者繞道，但兩者都困難重重。

中國(guó)科學(xué)院院士毛軍發(fā)在會(huì)上表示，選擇延續(xù)摩爾定律，要克服或者延緩芯片物理原理的極限、技術(shù)手段的極限、經(jīng)濟(jì)成本的極限。若選擇繞道而行，也就是采用一種全新的技術(shù)路徑，要攻克的是從未有過(guò)的難題。

其實(shí)還有第三條路：超越摩爾。

賽迪顧問(wèn)股份有限公司副總裁李珂對(duì)記者表示，就像跑得太快而無(wú)暇顧及風(fēng)景，手機(jī)和消費(fèi)電子時(shí)代，信息產(chǎn)業(yè)一路遵循摩爾定律，形成了一種慣性：簡(jiǎn)單粗暴地靠速度、集成度、更高的工藝來(lái)解決問(wèn)題。而物聯(lián)網(wǎng)的起勢(shì)正在表明，如果不延續(xù)摩爾定律，產(chǎn)業(yè)仍然蘊(yùn)藏著很大機(jī)遇，它可以走向應(yīng)用、場(chǎng)景、解決方案的競(jìng)爭(zhēng)，這種動(dòng)向的改變可以超越摩爾定律。

李珂表示，機(jī)會(huì)就在中國(guó)，中國(guó)市場(chǎng)是一個(gè)超越摩爾定律的絕佳土壤，疫情的爆發(fā)和芯片的缺貨，讓全球意識(shí)到，中國(guó)有著大規(guī)模的人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別的應(yīng)用，甚至二維碼的應(yīng)用，背后都需要芯片，但并不需要太高的工藝技術(shù)。

摩爾定律的減緩

1965年Gordon Moore提出，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件數(shù)量約每年增加一倍，性能也將提升一倍，在1975年，Gordon Moore將此修正為：?jiǎn)挝幻娣e芯片上的晶體管數(shù)量每?jī)赡昴軐?shí)現(xiàn)翻番。

摩爾定律延伸的結(jié)果是，芯片的成本在幾十年內(nèi)降低了百萬(wàn)倍，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的效益。中國(guó)工程院院士吳漢明在大會(huì)上表示，1970年代，晶體管價(jià)格1美元/個(gè)，這個(gè)價(jià)格如今能購(gòu)買(mǎi)上萬(wàn)個(gè)晶體管，如今一部手機(jī)中的芯片，加起來(lái)有百億級(jí)規(guī)模的晶體管，若回到1970年代，同樣一部手機(jī)要花費(fèi)百億美元。

從1970年代至今，芯片的性能在不斷提升，但數(shù)據(jù)顯示，自2015年前后，芯片的各項(xiàng)性能的增長(zhǎng)開(kāi)始趨于飽和。吳漢明表示，從晶體管的不斷增加來(lái)看，產(chǎn)業(yè)仍然在遵循著摩爾定律，但是從單位成本來(lái)看，在2014年左右，芯片工藝演進(jìn)至28nm時(shí)，100萬(wàn)晶體管的價(jià)格大約是2.7美分，當(dāng)演進(jìn)到20nm時(shí)，價(jià)格反而漲到2.9美分，晶體管的漲價(jià)現(xiàn)象，已經(jīng)違背了當(dāng)初的摩爾定律。

從經(jīng)濟(jì)成本角度來(lái)看，摩爾定律正在減緩。從2G到5G時(shí)代，芯片的工藝演進(jìn)迅速，從90nm演進(jìn)到45nm、再演進(jìn)到14nm、7nm，迅速發(fā)展。AMD高級(jí)副總裁、大中華區(qū)總裁潘曉明在會(huì)上表示，新制程需要更長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展才能成熟，但是它的成本增加又是顯著的，尤其在從14、16nm演進(jìn)到5nm這個(gè)階段。

吳漢明表示，從性能提升的角度分析，在2002年以前，每年的芯片性能提升約57%，到2010年每年提升23%，到2010年每年提升12%，直到近期，性能提升約為3%。

延續(xù)摩爾

中國(guó)科學(xué)院院士毛軍發(fā)在會(huì)上表示，芯片現(xiàn)在有兩條路線，一個(gè)是延續(xù)摩爾定律，一個(gè)是繞道而行。

李珂認(rèn)為，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，延續(xù)摩爾定律，是在現(xiàn)有的框架下，通過(guò)提高設(shè)計(jì)、制造、封裝上的技術(shù)，把微電子的性能挖掘用盡。而繞道而行，則是邁過(guò)硅、微電子技術(shù)這些框架，利用基礎(chǔ)科學(xué)形成一個(gè)顛覆性的技術(shù)體系。

當(dāng)前，半導(dǎo)體大廠正通過(guò)工藝、結(jié)構(gòu)、材料的精進(jìn)做成新型器件，使得技術(shù)能夠沿著摩爾定律繼續(xù)往前走，但在這條路上，產(chǎn)業(yè)要克服的技術(shù)和成本難題有很多。

中國(guó)工程院院士許居衍曾提出后摩爾時(shí)代的技術(shù)方向。他認(rèn)為，首先，主流方向仍然是硅基馮諾依曼架構(gòu)，其瓶頸是功耗和速度的平衡問(wèn)題；其次，類(lèi)硅模式是延續(xù)摩爾定律的主要技術(shù)。另外，有一些新興范式，是非常前沿的未來(lái)集成電路發(fā)展方向，這屬于基礎(chǔ)研究范疇，最近5-10年可能看不到產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。

半導(dǎo)體在行至后摩爾定律時(shí)代，面臨諸多的挑戰(zhàn)。

吳漢明院士認(rèn)為，后摩爾定律時(shí)代，芯片制造工藝正面臨三大挑戰(zhàn)，圖形轉(zhuǎn)移、新材料工藝、良率提升。進(jìn)一步說(shuō)，后摩爾時(shí)代，產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要有三大驅(qū)動(dòng)，高性能計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、自主感知，這三大驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)了技術(shù)研發(fā)的八項(xiàng)內(nèi)容，即邏輯技術(shù)、基本規(guī)則縮放、性能-功率-尺寸縮放、3D集成、內(nèi)存技術(shù)、DRAM技術(shù)、Flash技術(shù)、新興非易失性?xún)?nèi)存技術(shù)。

吳漢明表示，最終的目標(biāo)是，在2-3年內(nèi)將性能、功率、面積、成本增加或減少15%-30%不等。

潘曉明表示，僅僅通過(guò)增強(qiáng)工藝來(lái)延續(xù)摩爾定律是不夠的，還應(yīng)該尋求算力方面的創(chuàng)新。通常制程技術(shù)的演進(jìn)，占性能提升因素的40%，設(shè)計(jì)優(yōu)化和平臺(tái)優(yōu)化占據(jù)60%。當(dāng)前AMD正通過(guò)微架構(gòu)上的創(chuàng)新，爭(zhēng)取在每一代CPU和GPU架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)性能的提升，對(duì)于被應(yīng)用到閃存上的3D堆疊技術(shù)，AMD將其應(yīng)用到CPU上，同時(shí)，公司還在芯片設(shè)計(jì)上尋求突破�！暗�是，性能提升幅度是有限的，尤其面對(duì)人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等基礎(chǔ)應(yīng)用的爆發(fā)，對(duì)算力、性能都要求極高，通用CPU的表現(xiàn)相對(duì)受到限制”，潘曉明稱(chēng)。

繞道而行

在會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士毛軍發(fā)提到了一個(gè)繞道而行的方式——發(fā)展半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路，即將不同工藝節(jié)點(diǎn)的化合物半導(dǎo)體高性能器件或芯片、硅基低成本高集成度器件或芯片，與無(wú)源元件或天線，通過(guò)異質(zhì)鍵合或外延生長(zhǎng)等方式集成而實(shí)現(xiàn)的集成電路或系統(tǒng)。

在他看來(lái)，這可以推動(dòng)集成電路從單一同質(zhì)、二維平面，發(fā)展到異質(zhì)集成、三維立體，可以突破單一工藝集成電路的功能、性能極限，算是一種新的技術(shù)路徑，科學(xué)意義和價(jià)值顯著。國(guó)際上，美國(guó)和歐盟已有相關(guān)的技術(shù)布局。

從微系統(tǒng)變成復(fù)雜電子系統(tǒng)，會(huì)有新的挑戰(zhàn)。毛軍發(fā)提出三個(gè)挑戰(zhàn)，多物理調(diào)控，包括電磁、溫度、應(yīng)力；多性能協(xié)同，包括信號(hào)、電源完整性，熱、力；多材質(zhì)融合，包括硅、化合物半導(dǎo)體、金屬等。這些方向的改變，似乎帶來(lái)了更多的技術(shù)問(wèn)題。毛軍發(fā)表示，他所主導(dǎo)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)正進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

而李珂對(duì)記者表示，關(guān)于避開(kāi)摩爾定律的討論有很多，業(yè)內(nèi)還有以量子計(jì)算代替普通計(jì)算、以光子替代電子等提議，但這些需要依靠基礎(chǔ)科學(xué)的力量，在10-20年內(nèi)是很難實(shí)現(xiàn)的。

第三條路：超越摩爾

李珂對(duì)記者表示，就像跑得太快而無(wú)暇顧及風(fēng)景，信息產(chǎn)業(yè)一路遵循摩爾定律，形成了一種慣性：簡(jiǎn)單粗暴地靠速度、集成度以及更高的工藝來(lái)解決問(wèn)題，而忽略了另一條路，靠多的應(yīng)用、場(chǎng)景、解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)收益，這是一個(gè)超越摩爾的思路。

李珂表示，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是一些場(chǎng)景對(duì)芯片的制程和工藝要求并沒(méi)有那么高，夠用就好，但它需要量大、潛入不同的設(shè)備、適應(yīng)不同場(chǎng)景。

產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)看，相比消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)正展現(xiàn)出更大的增長(zhǎng)潛力，包括家居、汽車(chē)、無(wú)人機(jī)，大街小巷的監(jiān)控設(shè)備，甚至是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備。這個(gè)市場(chǎng)的特點(diǎn)是，所需的芯片用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于消費(fèi)電子，但是對(duì)芯片性?xún)r(jià)比的要求是更高的，主要是對(duì)芯片的制程和工藝要求比手機(jī)低很多，國(guó)際大廠在制程上追趕5nm、3nm，將摩爾定律逼至極限，但這些物聯(lián)網(wǎng)的芯片甚至只需要28nm、45nm工藝水平。但是對(duì)芯片適配業(yè)務(wù)、適應(yīng)場(chǎng)景的能力要求更高。

李珂認(rèn)為，所謂超越摩爾，比拼的不再是技術(shù)上的先進(jìn)，而是應(yīng)變能力，比如在同樣的線寬、同樣工藝上實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化以及能否在不提升工藝的情況下提升性能。而更重要的一點(diǎn)是，這條路徑需要更龐大的市場(chǎng)和應(yīng)用，比如大規(guī)模城鎮(zhèn)化帶來(lái)基礎(chǔ)設(shè)施的增長(zhǎng)，這在很多歐洲國(guó)家是無(wú)法做到的，但對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)恰恰是一個(gè)機(jī)遇。

中國(guó)的契機(jī)

雖然在底層的元器件上，中國(guó)是一個(gè)追趕者。最大的芯片制造廠中芯國(guó)際從90、54、28nm，追趕至7nm工藝，但相比臺(tái)積電，仍然相差至少兩代工藝。全球最大的手機(jī)市場(chǎng)在中國(guó)，但是手機(jī)芯片這類(lèi)高價(jià)值的產(chǎn)品，中國(guó)幾乎依賴(lài)進(jìn)口。

以手機(jī)為例，一部手機(jī)約有十幾顆傳感器芯片，他們的供應(yīng)很多來(lái)自中國(guó)本土企業(yè)，但占據(jù)手機(jī)的價(jià)值很少，還常被主機(jī)廠壓價(jià)，生意做得很辛苦。而手機(jī)中CPU只有一顆，大廠憑著更高的工藝、更優(yōu)化的設(shè)計(jì)，站在利潤(rùn)的頂端。

市場(chǎng)的格局在變。李珂對(duì)記者表示，現(xiàn)在很多大廠反映，芯片生意越做越累。原來(lái)設(shè)計(jì)一塊芯片可以適配幾百萬(wàn)部手機(jī)，這樣“躺賺”的時(shí)代似乎要結(jié)束了。

臺(tái)積電在2020年財(cái)報(bào)中分析，盡管手機(jī)仍然占據(jù)收入最大份額，但市場(chǎng)出貨量在小幅下降，2019年降低2%，2020年再降9%，這反映了市場(chǎng)已經(jīng)趨于飽和。而公司物聯(lián)網(wǎng)和汽車(chē)的收入，雖然占比不大，但在今年一季度分別增長(zhǎng)了10%和31%。

但在另一方面，一些并不先進(jìn)的制程卻在新的市場(chǎng)里找到了空間。以傳感器芯片為例，數(shù)據(jù)顯示，2020年中國(guó)MEMS市場(chǎng)規(guī)模僅有70多億元，但是增速23.2%，遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)高于全球平均水平。賽迪顧問(wèn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中心的副總經(jīng)理趙振越在會(huì)上表示，隨著智能手機(jī)市場(chǎng)的疲軟，很多傳感器企業(yè)逐漸把目光轉(zhuǎn)向了工業(yè)領(lǐng)域。因?yàn)閭鞲衅鞯牡统杀�，微型化、低功耗等特點(diǎn)，適合大規(guī)模的應(yīng)用部署，所以這些企業(yè)已經(jīng)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域進(jìn)行了一個(gè)加速的滲透，他認(rèn)為，后摩爾時(shí)代，中國(guó)是有機(jī)會(huì)憑借終端應(yīng)用和制造業(yè)的厚積薄發(fā)，實(shí)現(xiàn)異軍突起的。

李珂表示，過(guò)去，往往是芯片定義整機(jī)，聯(lián)想、戴爾根據(jù)每一代CPU的性能來(lái)決定電腦。現(xiàn)在萬(wàn)物互聯(lián)衍生出大量碎片化的市場(chǎng)，芯片企業(yè)無(wú)法定義汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、甚至大規(guī)模的攝像頭、門(mén)禁該怎么做，對(duì)于芯片的大廠來(lái)說(shuō)，更多是要和整機(jī)企業(yè)協(xié)同，和政府協(xié)同，和終端客戶(hù)的協(xié)同，雖然基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性地位沒(méi)變，但是主導(dǎo)權(quán)、話語(yǔ)權(quán)在下降。