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争议摩尔定律:英特尔反驳 英伟达“结束论”

2022年9月29日 08:02  第一财经  

作者: 李娜 樊雪寒

作为计算机行业的黄金定律,摩尔定律一直指导着芯片开发。但是随着芯片工艺升级速度的放缓,围绕在这一定律上的争议也在不断扩大。

9月28日凌晨,面对摩尔定律的“信任危机”,英特尔CEO帕特·基辛格(Pat Gelsinger)表示,至少在未来十年里,摩尔定律“依然有效”。然而在一周前,英伟达创始人兼CEO黄仁勋却表达了截然相反的观点。黄仁勋表示,以类似成本实现两倍业绩预期对于该行业来说已成为过去,“摩尔定律结束了”。

两大芯片巨头的态度截然不同,展现了当下芯片企业对于技术演进方向的不确定性。即便实现了晶体管堆积数量的增加,但是成本的飙升开始让越来越多的企业停下对先进制程的追逐,思考摩尔定律本身的合理性。

 英伟达VS英特尔:摩尔定律过时了吗?

摩尔定律由英特尔联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)在上世纪60年代提出,逐渐演变为芯片行业的技术箴言:集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。换言之,处理器的性能大约每两年翻一倍,计算成本呈指数型下降。

从行业角度来看,业界一直遵循这一定律,并按前一代制程的0.7倍对新制程节点命名,这种线性升级正好带来晶体管集成密度翻番。因此,出现了90纳米、65纳米、45纳米、32纳米——每一代制程节点都能在给定面积上,容纳比前一代多一倍的晶体管。

这种对先进制程的追逐也极大推动了计算产业的发展,从而孕育出了高速度的互联网、智能手机和现在的车联网、智能冰箱和自动调温器等。

但随着技术的发展,随着工艺从微米级到纳米级,同样小的空间里集成越来越多的硅电路,产生的热量却越来越大,摩尔定律所推崇的“两年处理能力加倍”的实现开始变得乏力。

在业内看来,不断逼近物理极限的晶体管加工早已让现有的光刻技术“不堪重负”,CPU晶体管和能量大幅上升导致应用性能只有小幅增长,登纳德缩放效应——随着晶体管尺寸的缩小,其功率密度保持不变,从而使芯片功率与芯片面积成正比也遇到了元件物理的瓶颈。此外,摩尔定律质疑声中最大的“噪音”来自于技术与成本的平衡。英伟达认为,随着芯片架构变得更加复杂,硅晶片变得更加昂贵。

黄仁勋此前在接受包括第一财经在内的记者采访时表示:“今天12英寸的晶圆要贵得多,不是贵了一点点,是贵了非常非常多。技术越来越贵,所以我们必须使用更多办法,像RTX、DLSS、SCR、Tensor Cores这样的技术发明,使我们能够继续克服成本的增加。”

美国乔治敦大学沃尔什外交学院安全与新兴技术中心(CSET)发布的研究数据显示,台积电一片采用纳米制程的12英寸晶圆,代工制造费用约为3万美元,约为5纳米的1.75倍。在裸片(die)面积不变(即升级架构,不增加晶体管数量)、良率不变的情况下,未来苹果A17处理器如果采用3纳米制程,成本将上涨到154美元/颗,成为iPhone成本最高的部件,而5纳米的A15处理器原来只是iPhone的第三大成本零部件。

“成本的增加对于一些芯片企业来说确实带来了压力。”Counterpoint分析师布雷迪(Brady)对第一财经记者表示,英伟达的部分产品从三星的8纳米转到台积电的4纳米时,成本多了一倍有余,芯片代工成本的上升让企业选择的技术路径也会发生改变。

但在英特尔看来,摩尔定律不会因为无用而结束,也不会因为经济效益不足而受阻。

基辛格在28日的讲话中提到,英特尔正在推进制造工艺的进步,例如采用新的光刻技术和RibbonFET架构,这能够让公司在每个芯片上继续塞进更多的晶体管,即使它们变得足够小,小到可以用埃(0.1纳米)单位来测量。

“我们希望从今天的单个封装上容纳大约1000亿个晶体管开始,到这个十年结束时实现在单个封装中加入一万亿个晶体管。”

基辛格表示,摩尔定律至少在未来的十年里依然有效。

  谁来拯救“摩尔定律”

“摩尔定律并非自然规律,而是对集成电路性能发展的观测或预测。过去半个多世纪以来,半导体行业大致按照摩尔定律发展,单个芯片上集成的晶体管数量从几千个增加到十几亿个。”CIC灼识咨询合伙人赵晓马对记者表示,现在看来摩尔定律逐渐遭遇瓶颈。受制于芯片尺寸的物理极限、光刻技术、隧道效应、功耗和散热、供电能力等问题,从5纳米到3纳米再到2纳米,其间隔都超过了2年时间。

赵晓马表示,现在半导体行业更像是进入了后摩尔时代,需要拓展新的技术路线来延续摩尔定律。新集成、新材料、新架构逐渐成为颠覆创新的焦点。新集成包括Chiplet、先进封装等,Chiplet由于其高性能、低功耗、高面积使用率以及低成本受到广泛关注,在FPGA、GPU等高性能计算市场具备很高潜力。

截至目前,包括英特尔、AMD在内的多家芯片巨头企业都曾表明或已经在产品中导入Chiplet设计。华为于2019年也推出了基于Chiplet技术的7纳米鲲鹏920处理器;AMD今年3月推出了基于台积电3D Chiplet封装技术的第三代服务器处理芯片;苹果则推出了采用台积电CoWos-S桥接工艺的M1 Ultra芯片。

此外,赵晓马表示,先进封装技术也是英特尔、台积电等巨头的重点投入方向之一,从而缓解摩尔定律的消逝。目前行业内主要有倒装封装、晶圆级封装、2.5D/3D封装以及SiP系统级封装等。新材料主要是以SiC、GaN、GaAs为主的第三代半导体材料,具有高频、高功率、耐高压高温等特性,在5G、光伏等领域广泛应用。而新架构是指突破冯诺依曼架构的新芯片架构,例如异构计算、RISC-V精简指令集架构等。英伟达重点投入新架构来推动加速计算,新推出的Hopper GPU架构使AI计算性能显著提升。

“摩尔定律带来的不是一场竞赛。”半导体行业权威、英特尔高级院士马克·波尔(Mark Bohr)此前曾在一场制造大会上表示,诚然有一天技术可能会达到物理极限,但突破亦存。当晶圆上的晶体管大小达到用以印刷它们的光的波长(193纳米)时,物理学界明确指出不能再向前推进了,然而计算型光刻技术和多重曝光跨越了那个挑战。

在英特尔看来,摩尔定律已经“被失效”了很多次,但每一次都能在关键技术上实现突破,延续摩尔定律。“在现在这个时候,第一需要整个产业链一起配合,微缩工艺要提升,需要光刻机,需要把它提升到能更精细地刻画这些特征尺寸的层级。”英特尔中国研究院院长宋继强表示,摩尔定律的进展不是一家之力,但是如果大家都相信摩尔定律,它仍然能够以一定的节奏延续下去,仍然会不断有新的技术涌现出来。即使在现在CMOS工艺下,也还是可以推进到2纳米以下。

布雷迪则对记者表示,从行业发展趋势来看,未来5年内摩尔定律仍然会持续。“但现在最大的问题在于需求部分的增长,未来市场是否仍然存在这么多小而快的产品需求,手机需求下降时,汽车、物联网设备能否成为新技术的出海口,这是最紧迫的问题,也是企业投入先进技术的最大动力。”

编 辑:魏德龄
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