芯片破壁者（六）：摩爾定律的一次次“驚險”續命_風聞

1965年，《電子》雜誌在創刊35週年之際，邀請時任仙童半導體公司研究開發實驗室主任的摩爾，為其撰寫一篇觀察評論，預測微芯片工業的前景。

此時，全球半導體產業才剛剛萌芽，英特爾公司都尚未成立，市面上生產和銷售的芯片更是屈指可數。

摩爾根據有限的數據大膽提出了一條被後人奉為圭臬的路線圖——處理器（CPU）的功能和複雜性每12個月增加一倍，而成本卻成比例地遞減，也就是有名的摩爾定律。（1975年，摩爾將12個月改為18個月，沿用至今）。

這篇名為“讓集成電路填滿更多的元件”的報告，就此指導了半導體乃至整個信息產業半個世紀的發展步伐。

就連摩爾本人都沒有想到，這個定律的效力是如此持久。

2005年，摩爾直言“Something like this can’t continue forever” ，認為摩爾定律可能在 2010 至 2020 年達到極限而失靈，建立在硅基集成電路上的電子信息技術也將被另外一種技術所代替。

此後十幾年，不斷挑戰半導體產業極限的摩爾定律，也在一次次撞向“天花板”的時候“被死亡”。

關於摩爾定律的唱衰言論層出不窮。2014年國際半導體技術路線圖組織宣佈，下一份路線圖將不再依照摩爾定律。台積電張忠謀、英偉達黃仁勳等挑戰者更是“語出不遜”，認定摩爾定律不過是苟延殘喘。

顯然，一切並沒有發生。集成電路芯片向5nm甚至3nm製程進發，依然是英特爾、三星、台積電等半導體廠商孜孜以求的目標。

硬挺到今天的摩爾定律，為何總能被成功“續一秒”，又是哪些黑科技在幫助它一次次“起死回生”？圍繞在它身上的傳奇和產業競速到底能續寫到什麼時候？接下來，我們就一起走進——摩爾定律的驚魂夜。

薛定諤的摩爾定律之死

在抵達一個個驚險刺激的歷史現場之前，有必要先跟大家聊聊摩爾定律持續“碰壁”的原因。

摩爾定律的定義，歷史上其實被更新過幾次，因此也形成了不同的版本和表達。比如：

集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便增加一倍；

微處理器的性能每隔18個月提高一倍，或價格下降一半；

相同價格所買的電腦，性能每隔18個月增加一倍。

正是沿着這個思路發展，電腦、電話等在強勁的處理器芯片加持之下，才有了低價格、高性能的可能，進而得以應用於社會每個的每個領域，成就了今天無處不在的信息生活，甚至徹底改變了人類的生活方式。

而在過去的幾十年裏，為了滿足摩爾定律，半導體行業算是堵上了自己的尊嚴：

提升晶體管的密度與性能，成為微處理器按“摩爾定律”進化最直接的方法要在微處理器上集成更多的晶體管，芯片製造工藝不斷向天花板逼近，製程節點不斷逼近物理極限。

1971年英特爾發佈的第一個處理器4004，就採用10微米工藝生產，僅包含2300多個晶體管。

隨後，晶體管的製程節點以0.7倍的速度遞減，90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm等等相繼被成功研製出來，最近的戰報是向5nm、3nm突破。

既然大趨勢如此成功，為什麼“摩爾定律”還會被屢屢宣判失效、死亡呢？

任何一個對指數有所瞭解的人，都會明白這種增長要無限地保持下去是不可能的。“增加一倍”的週期都是18個月，意味着每十年晶體管的數量要提高一百倍。

摩爾自己在演講時也開玩笑説，如果其他行業像半導體這樣發展的話，汽車現在應該一升汽油就能跑幾十萬公里，市中心每小時的停車費可能比勞斯萊斯還要昂貴，還有可能汽車尺寸會縮小到兩寸長根本無法載人……

因此，摩爾本人在談論“摩爾定律”的生命週期時，更同意史蒂芬霍金的説法。後者曾在被問及集成電路的技術極限時，提到了兩個限制：

一是光的極限速度，芯片的運行速度距離光速還很遠；二是物質的原子本質，晶體管已經很接近原子的直徑（0.01納米到0.1納米之間）。

也就是説，摩爾定律想要在當下繼續發展，工程師們就不得不面臨與這兩個最基本的自然法則做鬥爭。聽起來是不是一個很艱難的挑戰？

體現在具體的產業難題上，就是隨着硅片上集成電路密度的增加，其複雜性和差錯率也會呈現指數級的上升。

硅材料芯片被廣為詬病的便是高温和漏電。集成電路部件發散的熱量，以及連線電阻增加所產生的熱量，如果無法在工作時及時散發出去，就會導致芯片“罷工”；

此外，晶體管之間的連線越來越細，耗電也就成了大問題。而且導線越細，傳輸信號的時間也就越長，還會直接影響它們處理信號能力。如果電子能直接穿透晶體管中的二氧化硅絕緣層，就會觸發“量子隧穿效應”，完全喪失功能。

要在指甲蓋大小的芯片上以億為單位來雕刻晶體管，難度就像從月球上精準地定位到地球上的一平方米一樣，這種原子甚至量子級別的集成電路焊接與生產，就對工藝精密度提出了更高的要求。

一邊芯片被要求越做越小，性能越來越高；一邊物理限制又需要晶體管之間保持一定的距離，可不為難死工程師了嘛。

同時別忘了，摩爾定律還被附加了經濟色彩。除了性能之外，成本/價格的同時下降也被看做是基本要求。

體現到消費級市場，就是用户們在每兩年，用更少的錢買到性能更高的電腦、手機產品。

但是，技術研發投入與光刻設備的更新換代，都需要半導體廠商耗費大量的資金。

生產精密程度的不斷提升，也需要在製造環節投入更大的人力物力，一代代芯片生產線的設計、規劃、調試成本，也在以指數級增長。

以前，生產130nm晶圓處理器時，生產線需要投資數十億美元，到了90nm時代則高達數百億，超過了核電站的投入規模。按照IBS 的 CEO Handel Jones 的預測，3nm 芯片的研發成本，甚至將達到 令人髮指的40 億至 50 億美元。

為了攤薄成本，半導體廠商不得不生產更多的芯片，這又會導致單片芯片的利潤回報下降。

很顯然，半導體企業不可能長期“既讓性能翻一倍，又讓價格降一倍”，如果18個月沒有收回成本，就要面臨巨大的資金壓力。

更為殘酷的是，受軟件複雜性等影響，芯片性能的提升在用户感知度上也越來越弱。

上世紀八九十年代，晶體管數量增加帶來的性能加成是明顯的。比如奔騰處理器的速度就遠高於486處理器，奔騰2代又比奔騰1代優秀得多。

但正如大家所見的，進入21世紀以來，芯片製程越來越小，但用户對性能提升的感知度卻不如以往令人驚豔，更新換代的買單慾望也能輕易被控制——等待更具性價比的計算硬件，鎖死了摩爾定律的增長週期。

曾幾何時，谷歌CEO Eric Schmidt 被問及會不會購買 64 位“安騰”處理器時，對方就表示“谷歌已經決定放棄摩爾定律”，不準備購買這種在當時看來的超級處理器。當然，這一決定被歷史證明打臉了。

但也説明，即使廠商完成了前期的燒錢遊戲，也未必能在中短線消費市場上完美收官。

總體而言，過去六十多年裏，半導體行業的快速發展，正是在摩爾定律的推動下實現的，一代代運算速度更快的處理器問世，讓人類徹底走進了信息時代。

與此同時，在芯片焊接和生產已經達到原子級別、接近量子級別的程度之後，摩爾定律也從指導行業進化的“金科玉律”，逐漸變成了捆綁在半導體產業頭上的緊箍咒。

想要繼續發揮作用，必須付出巨大的成本，讓行業舉步維艱、苦不堪言的同時，不斷被唱衰也就成了摩爾定律的宿命。

性能、價格、市場預期，就如同三體世界裏的三個太陽，在半個多世紀的時間裏反覆炙烤着摩爾定律。

接下來，我們就一起回到幾個重要的“碰壁現場”，去看看摩爾定律是如何在一次次瓶頸期“驚險”逃生、鞭策着整個行業繼續為之奮鬥的。

第一次續命：從MSI到VLSI，工匠之國日本的崛起

在此前的章節中，我們談論了以DRAM為代表的VLSI超大規模集成電路的崛起，以及美國、日本在這個技術戰場上的世紀戰爭。

而摩爾定律，既是這場戰爭必然爆發的推動力，也是產業版圖更迭的見證者。

瞭解歷史的人知道， 1975年，在“摩爾定律”發佈的十年後，摩爾本人對定律進行了修改，將原本的“12個月翻一倍”改為了“18個月”。

當時，摩爾已經離開仙童，與別人一起創立了英特爾。而技術的挑戰也在此時拉開序幕。

1975年，英特爾公司準備推出的一款電荷耦合器件(CCD)存儲芯片中，只有3.2萬個元件，這比摩爾定律預測的千倍增長整整少了一半。

第一個辦法當然是修改定律，將產業週期從12個月延長到18個月。摩爾在一次訪談中曾提及這次修改，不無消極地説，自己的論文只是試圖找到以最低成本生產微型芯片的方式——

“我覺得不會有人會按照它（摩爾定律）來制定商業計劃 ，可能是因為我還沉浸在第一次預測正確的恐慌當中。我不覺得還會有人關注這個預測。”

翻車的原因在於，摩爾定律提出的1965年，還是小規模集成電路（SSL）時代，芯片內的元件不超過100個。此後，MSI（中規模集成電路）順利地擺渡了十年，生產技術的進步遠遠領先於芯片設計，晶體管數量幾乎每年都會翻番，完美符合摩爾定律。

但接下來，工程師們認為要在單芯片上集成十萬個晶體管，VLSI階段正式來臨。與此同時，DRAM存儲器、微處理器CPU等芯片產品的出現，在將芯片複雜度發揮到極致的同時，也讓成本的經濟性開始引起重視。

當時，美國半導體產業界已經在實驗室完成了對VLSI的技術突破，為什麼最後卻是日本成功上位呢？

因為新時期裏，拯救摩爾定律的不是技術上的突破，而是商業價值上的精進。

DRAM是當時最重要的半導體市場消費品，而其製造的關鍵在於更細 、更密集的電路。面臨的挑戰在於，隨着芯片上元件的增多，晶圓上的隨機缺陷影響加大，導致成品率降低，自然提高了芯片的生產成本，也讓廠商的收益不那麼美好。

必須實現成本下降，才能延續摩爾定律。而日本產業對技術和經濟的平衡，在此時發揮了重要的作用。

1976年，日本以舉國之力啓動了聞名遐邇的超大規模集成電路研究計劃。

由通產省技術專家和官員出面，集合了富士通、日立、三菱、日本電氣（NEC）和東芝等5家公司，共同設立了VLSI研究所。

日本在進軍半導體市場時更注重改進製程，而不是產品上有什麼革命性的突破。日本VLSI研究所的目標，就是在微精細加工、工藝技術、元件技術等等課題上嘗試提升。

VLSI項目實行了4年，於1980年結束，也確實誕生了豐碩的研究成果，大約有1000項發明獲得了專利，這對日本半導體的國際競爭力起到了重大作用。

與此同時，注重製造技術也為日本半導體公司帶來了全球競爭優勢，雖然不像革命性產品那樣引人注目，但價格和質量卻成為攻佔市場的重要籌碼。

當時，業界每兩三年便會推出新一代DRAM，存儲能力以倍數上升，消費者們也熱衷於升級存儲條。龐大的市場需求，撞上日本工業界對集成電路的改良，直接從半導體產業大本營——美國手裏搶走了不少市場份額。

1982底，日本的第一代超大規模集成電路的64K RAM已經佔到國際市場的66％，至此，日本在DRAM製造方面的全球領導地位奠定，也使其成為下一代微芯片的技術領導者。

正是日本在VLSI技術上的發力，讓摩爾定律得以繼續發揚光大。到了1980年代，摩爾定律已經被看到是“DRAM準則”，隨後，微處理器也出現在了曲線上。複雜度（晶體管的數量），以及芯片性能（處理器的操作速度），成為摩爾定律的主要預測對象，摩爾定律也從此時起成為業內公認的標準，不少微處理器和存儲器芯片企業根據這一趨勢來制定生產計劃、參與國際競爭。

製程工藝與經濟性的正式融合，讓摩爾定律與半導體發展節奏，從80年代中期開始，開始變得密不可分。

第二次續命：從2D到3D，一杯名為技術的“美式咖啡”

摩爾定律的第一次續命，成功拉開了半導體產業的激烈競爭。

當時的產業邏輯是，製程領先的企業很容易獲得市場份額和規模優勢，進而讓落後者無利可圖。

但這種高速發展不斷撞上了新的天花板，摩爾定律也迎來了自己的第二次“被死亡”。

20世紀90年代中期，在IBM研究所工作的劉易斯·特曼（Lewis Terman）宣稱，摩爾定律的終結就在眼前。

原因很簡單，進一步縮小晶體管尺寸再一次迎來技術瓶頸。

當時，半導體行業開始用激光作為光源在硅晶圓平面上製造晶體管和集成電路，當波長從 365 nm 降低到 248 nm，晶體管尺寸也逐漸逼近100nm。隨着組件尺寸變小，當晶體管處於“關閉”狀態時，電流很容易泄漏出來這會造成芯片的額外損耗。

2000年，全世界研究者都在研究如何讓更短波長的微影蝕刻成功，延長乾式機台的壽命。台積電在此時殺出，與ASML共同完成開發全球第一台潤式微影機台，採用193波長曝光的“濕式”機台量產45nm製程，一時間引人矚目，將半導體制程從45nm向前推進，讓摩爾定律得以延續。

很快，大家都覺得這已經到硅芯片的極限了，摩爾定律再次失效，半導體產業的黃金年代也即將結束。

於是在 2002 年 11月，英特爾股票被美林證券將降級 , 從 “中立”降為 “賣出”, 股價再次應聲而落。

美國對於這種情況也十分擔憂，國防高級研究計劃局（DARPA）還啓動了一個名為“25nm開關（25-nm Switch）”的計劃，試圖提升芯片容納晶體管數目的上限。

讓英特爾及 “摩爾定律”繼續引領行業的，是一位華人。

加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學教授的胡正明，由於美國在能源領域的學術撥款緊縮，轉向參加企業項目，開始挑戰半導體領域的難題。

（FinFET發明者胡正明）

既然晶體管尺寸無法再縮小，提升密度能不能同時保證技術和成本效益呢？按照這一思路，胡正明提出了鰭式場效晶體管（FinFET，Fin Field-effect transistor）方案。

以前，整個芯片基本上是平坦的，而胡正明則一改此前元器件和電路都在芯片表面一層的CMOS晶體管工藝理念，改為用垂直方法鋪設電流通道。

在硅基底上方垂直佈設細傳導通道，傳導通道像鯊魚鰭一樣排列，柵極可以三面環繞通道，而不是僅僅位於通道上方。

（FinFET工藝結構特點）

這種方式不僅能很好地接通和斷開電路兩側的電流，使柵極能夠更好地控制電子流動，從而大大降低了芯片漏電率高的問題，還利用垂直空間，大幅地縮短了晶體管之間的閘長。

晶體管尺寸發展到25nm以下後，FinFET方案發揮了巨大的作用。

不過，FinFET的工藝製造過程較為複雜，英特爾2002年起投入3D晶體管的研發，2011才開始利用FinFET方案正式批量生產晶體管，22nm的酷睿處理器三代就使用的FinFET工藝。

隨後，各大半導體廠商也開始轉進到FinFET工藝之中，台積電16nm、10nm，三星14nm、10nm以及格羅方德的14nm等等，都是在FinFET工藝支撐下實現的。

3D晶體管時代的開啓，又一次將摩爾定律推後了數年。

第三次續命：全球聯動EUV，只為撬出突破口

“摩爾定律”的舒坦日子還沒過多久，新的催命符又來了。

國際半導體技術發展路線圖更新後大家發現，增長在2013年年底又放緩了。

進入三維結構之後，芯片工藝無法嚴格按照既定的路線升級製程工藝。各個半導體廠商的產品創新屢屢被用户吐槽“擠牙膏”，AMD停留在 28nm多年，英特爾在14nm節點區分出“14nm、14nm+、14nm++”三種制式更被引為笑談。

看起來，摩爾定律似乎在14nm節點上又一次無路可走了，接下來怎麼辦？

一個來自於哈勃太空望遠鏡，為美蘇“星球大戰”計劃而開發的技術——EUV，開始在產業界登場。

（EUV原理）

此前，英特爾用超微深紫外線（DUV，Deep Ultra Violet）技術製造出了為數不多的30nm 晶體管樣品。隨後，研究人員又將下一步研究放在了大規模採用極紫外線刻蝕技術（EUV）來進行生產上。

2012 年，英特爾、三星和台積電（TSMC）為 ASML 的下一代光蝕刻技術募集了 13.8 億歐元的研發經費，其中有4000 名專注 EUV 項目的員工。

有意思的是，儘管英特爾很早就在佈局EUV技術，但最早推出EUV製造的7nm芯片樣品的，卻是IBM。

當時，《紐約時報》以《IBM Announces Computer Chips More Powerful than Any in Existence》（IBM發佈了比現有任何一種產品都強大的計算芯片）為題報道了此事，有些媒體更直言“IBM打了英特爾的臉”。

不過，EUV光刻技術採用13.5nm長的極紫外光作為光源，對光照強度、能耗效率和精度等都有極高要求。因此，儘管其研發始於20世紀80年代，但達到晶圓廠量產光刻所需要的技術指標和產能要求，卻摸索了很長一段時間，以至於在此期間，摩爾定律不斷被挑釁。

2017年的GTC技術大會上，GPU芯片廠商NVIDIA英偉達甚至提出要靠GPU開啓AI時代的計算新紀元。其CEO黃仁勳聲稱，摩爾定律已經終結，依靠圖形處理器推動半導體行業發展才是正道，而尋找更強大的CPU則應該讓出主導地位。

以前，摩爾定律強調性能可以“一力降十會”，而英偉達認為，賦予晶體管智慧比力量更加重要。

對此，摩爾接受《紐約時報》專訪時表示，如果良好的工程技術得到應用，那麼摩爾定律仍可以堅持 5 到 10 年時間。

摩爾定律的變緩，給了 EUV 足夠的時間迎頭趕上這根救命稻草，終於在近些年成功落地。

2016年後，EUV光刻機開始投入晶圓廠，用於研發和小批量試產。隨後，三星、台積電、英特爾等都爭先恐後地將EUV投入芯片量產，中芯國際斥資1.2億美元買入EUV光刻機的新聞也見諸報頭。

用ASML（阿斯麥）研發副總裁Anthony Yen的話來説，EUV光刻是目前唯一能夠處理7nm和更先進工藝的設備，並被廣泛看做是突破摩爾定律瓶頸的最關鍵武器。

但成本，依然是困擾摩爾定律的難題。目前建設一個7nm工廠需要投資150億美元，5nm工廠將需要300億美元，而3nm理論上是600億美元。

最後如何在終端市場上將成本順利攤銷，加上覆雜國際政治局勢的干擾，對三星、台積電等半導體廠商來説都是一件風險極大的事。

不難看出，在EUV為核心的戰場上，芯片廠商與代工廠的競爭已經告一段落，更上游的半導體材料廠商、光刻機設備廠商，甚至學術界、產業界的工藝創新，開始加入其中，成為拯救摩爾定律不可或缺的參與力量。

其他屢建奇功的續命“藥丸”

當然，在摩爾定律的續命史上，除了上述三個重要的技術節點、提高主頻性能之外，也有不少方法屢建奇功。

比如新的封裝技術。像是Chiplet小芯片系統封裝技術，就可以促進芯片集成、降低研發成本、提高成品率，被認為是擴展摩爾定律有效性的另一種武器。

據説，台積電最新的3D SoIC封裝技術將於2021年進入批量生產，促進高性能芯片的成本效益。

再比如尋找硅材料的替代品。利用新型材料做出分子大小的電路，也能使芯片性能變得更強大。在半導體發展歷程中，元素週期表上的各種可能都被廣泛嘗試過。

華為任正非就曾公開表示，石墨烯有潛力顛覆硅時代。英特爾也宣佈，在達到7納米工藝之後，將不再使用硅材料。光刻膠等半導體材料的創新，也在推動摩爾定律的持續演進。

（英特爾對半導體工藝的進展預期）

也有人提出了“More than Moore”（超越摩爾定律）路線，通過改變基礎的晶體管結構、各類型電路兼容工藝、先進封裝等多種技術，共同發力來延續半導體行業的發展，而不再侷限於縮小晶體管特徵尺寸所帶來的推動力。

總而言之，摩爾定律何時觸頂或未可知，但半導體行業的進步永不終結，而圍繞產業規律展開的商業競爭與硝煙也會繼續延綿不休。

（超越摩爾定律：多樣化）

回望摩爾定律的一次次驚險續命，不難發現，儘管其很多假設都會隨着時代變化而變得不再適用，但半導體產業的特殊之處卻決定了它頑強的生命力。

一方面，摩爾定律督促着技術工程師們不斷挑戰極限，聚焦於難題上，以儘可能地挖掘硅部件的潛力，作為“硅谷的節拍器”，摩爾定律在讓行業走上巔峯的時候，也成為了產業的基本法。

而每當行業發生本質變化的時候，摩爾定律也會隨之得到修正和改變，使其始終保持着一定的準確度。

此外，即使全行業都在摩爾定律之下展開激烈競爭，但這並不意味着標新立異沒有意義，用不同的生產、工藝、材料等等方式尋求更快的發展，自控式企業也更容易抓住機會，打破固有的市場格局脱穎而出。

當然，在摩爾定律的感召下，科學家、工程師、投資方，甚至曾經的競爭者，也有可能形成共同體，在同一理想的支撐下大膽投入高風險的研發活動。

從日本半導體廠商的逆襲、英特爾的多年輝煌、英偉達的豪橫發言等身上，會發現正是摩爾定律的文化隱喻，讓產業的發展速率變得不可預測，也格外精彩。

這也是為什麼，我們會追尋摩爾定律“起死回生”的歷史瞬間。因為它不僅對半導體行業的變化趨勢十分重要，更是技術軌道和預言的重要範例。

半個多世紀以來，摩爾定律本身已經改變，但其文化內核卻始終不變，只是以更廣闊、更強大的方式與我們再次觸碰。