戈登·摩爾留給我們的“遺產”_風聞

上週，半導體行業豐碑式的人物戈登－摩爾在家中過完了他圓滿的一生。斯人已逝，而摩爾留給半導體行業的遺產卻會在未來繼續引領行業發展。

半導體電路設計工程化

在摩爾的年代，半導體工藝、器件和電路設計仍然處於新生階段，在當時大規模集成電路的概念尚未出現。當時，半導體行業的領導人物通常都有學術界的研究背景，這也就導致了兩個思路問題。

首先是研究思維大於工程思維，例如半導體領域的先驅肖克利是學術界的一代巨擘，因為在半導體物理領域的成就而獲得了諾貝爾獎，但是他作為肖克利半導體實驗室的負責人運營公司時，其研究思維大大限制了公司的發展，這也是摩爾決定離開肖克利實驗室並加入仙童半導體的原因。

除了工程思維缺乏之外，另一個問題是如何半導體器件和電路設計。半導體器件和電路設計在當時是非常不同的兩個領域，因此在半導體領域的人才在當時往往是各自為政，但是如何把半導體器件和電路設計結合在一起卻並不為人知。在仙童，摩爾意識到了這個問題，而這樣的思考最終讓摩爾在創立Intel的時候創立了全新的道路。

在摩爾離開仙童創立Intel後，摩爾決定要解決這兩個問題。為了確保工程思維能在公司中有應有的位置，並且不同背景領域的人能在一起解決問題，摩爾在Intel要求所有的研究人員都直接參與芯片的生產過程，這樣讓科學理論和工程實踐能很好的結合在一起，並且讓電路設計和半導體器件工藝也緊密結合，最終成就了Intel跨時代IDM巨頭的地位。

我們認為，摩爾是半導體從學術界最終真正走向工業化的最大功臣之一。他強調系統工程化思維，尤其是強調電路和工藝結合設計的特點，在今天看來也並不過時。在現今半導體工藝提供性能提升越來越有限的階段，芯片性能的進一步提升必須依靠系統工程，需要算法、電路、工藝和器件的協同優化才能實現。

摩爾定律與指數發展

摩爾留給我們最重要的遺產可能就是摩爾定律了。１９６５年，摩爾做出了著名的被稱為“摩爾定律”的預測：在未來每年芯片上的晶體管數量會翻倍。在１９７５年，摩爾將晶體管翻倍的時間修正到了兩年。但是無論是一年還是兩年，摩爾定律都揭示了新生技術以指數形式高速發展的規律。

在如今，雖然芯片集成度上升隨着半導體工藝節點微縮越來越受到物理極限的挑戰而正在變得緩慢，但是從另一個角度來説摩爾定律關於新生技術指數發展的規律正在芯片行業的其他領域發揮規律。在當年摩爾剛提出摩爾定律的時代，半導體行業正處於騰飛的起點，從技術上來説相關積累已經成熟可以快速發展，從市場上來説各種電子產品的需求也讓半導體行業市場足夠大以滿足指數規律發展。

時至今日，摩爾定律的指數發展規律仍然適用於一些芯片市場。一個典型的例子就是人工智能相關芯片。這一輪人工智能的發展從２０１５年開始，如果我們類比當年半導體行業在６０年代的起飛，我們也可以看到人工智能的相關技術經過多年積累在２０１５年開始已經處於爆發的起點，而從市場角度無論是自然語言處理、機器視覺還是推薦系統都對於人工智能有了很強的需求。因此，我們看到了人工智能芯片性能在過去的約１０年間的指數發展。例如，GPU芯片的AI算力在過去十年內基本是每兩年性能翻倍，這也是人工智能成為半導體行業最關鍵的新市場的一個重要標誌。

我們認為，摩爾定律指數發展的規律仍將在未來的新興芯片市場有效。對於半導體人來説，投身這些新興領域可望能站上指數發展的快車，當然從另一方面，從事相關的公司也必須意識到指數發展的規律是動力也是壓力，因為必須能追上市場上同行指數發展的規律才能成為有力的競爭者。

摩爾制定的路線圖與後摩爾時代

摩爾當年在描述芯片晶體管集成度每兩年翻倍的時候，或許只是想作為一個行業的預測和發展規律。但是隨着半導體行業的發展以及與市場密不可分，半導體行業發現如果需要維持整個行業的發展勢頭以及市場增長，必須維持摩爾定律中描述的指數級增長。在這個時候，摩爾定律就不僅僅是一個對於未來發展的預測，而且是一個半導體行業未來發展的路線圖。

這也能解釋為什麼半導體工藝節點特徵尺寸微縮雖然從十五年前開始就遇到物理極限的挑戰，但是整個半導體行業仍然不惜代價地投入研發成本讓半導體工藝節點特徵尺寸繼續縮小，因為只有這樣才能保證半導體行業不至於落入夕陽產業的陷阱。直到今日，摩爾定律作為一個半導體行業的發展路線圖仍然具有強大的生命力，而這也是因為整個行業能不停地提出新的技術解決方案。例如，IMEC在去年公佈的半導體工藝路線圖中，晶體管的特徵尺寸仍然將在未來的十多年中保持每兩年集成度翻倍（即晶體管特徵尺寸每兩年減小到０．７倍）的規律繼續縮小，到２０３６年預計晶體管特徵尺寸將達到０．２nm，可見摩爾定律中描述的晶體管特徵尺寸縮小仍然可以維持很長的一段時間。

但是，後摩爾時代仍然不可避免地要到來。主要原因是，隨着晶體管特徵尺寸越來越接近物理極限，進一步晶體管特徵尺寸已經未必是最合理的路線了，尤其是當目前還有晶體管特徵尺寸縮小之外的其他方法可以進一步提升芯片的集成度和性能的時候。如果我們把使用晶體管特徵尺寸縮小之外的其他技術路徑成為半導體芯片行業的主流驅動力的時代稱為後摩爾時代的話，目前看來後摩爾時代最關鍵的技術就是先進封裝和系統級設計。

先進封裝技術為芯片系統提供了一個全新的設計思路。使用chiplet等先進封裝技術，我們可以把設計規模很大的芯片拆分成多個小的chiplet，並且封裝在一起。使用chiplet可以大大增加設計的靈活性（多種不同的chiplet可以組合成不同的產品），降低成本（使用chiplet之後，由於每個chiplet的面積變小，因此整體良率大大上升），改善性能（chiplet和高級封裝技術可以提供高帶寬滿足數據互聯的需求），未來可望會成為後摩爾時代的主要技術驅動力。因此，使用先進封裝進一步以經濟和性能都更合理的方式提高集成度可望成為後摩爾時代的主流。

另一個後摩爾時代的關鍵思路是系統級設計。在摩爾定律狂飆突進的年代，半導體工藝節點微縮是芯片性能提升的主流驅動力，當年一個經典的案例就是花了大量時間做CPU處理器架構設計的公司最後芯片性能不及Intel使用傳統架構但是下一代半導體工藝的產品。但是在後摩爾時代，不再會有單一的主宰技術驅動力，而是芯片性能提升必須從系統層面考慮問題，這裏的系統層面包括了應用算法、封裝、電路、半導體器件和工藝等等，必須把這些因素全部結合起來考慮，才能實現芯片性能的可持續長久進步。