摩爾定律，散落人間_風聞

戈登·摩爾，這位半導體與計算機行業的傳奇人物已離我們而去，但他提出的“摩爾定律”仍在影響着半導體行業。日本半導體專家湯之上隆，將在本篇文章中帶我們重新認識這一半導體產業的“底層代碼”。

作者簡介：

湯之上隆先生為日本精密加工研究所所長，曾長期在日本製造業的生產第一線從事半導體研發工作，2000年獲得京都大學工學博士學位，之後一直從事和半導體行業有關的教學、研究、顧問及新聞工作者等工作，曾撰寫《日本“半導體”的失敗》、《“電機、半導體”潰敗的教訓》、《失去的製造業：日本製造業的敗北》等著作。

以下為編譯全文：《週期是本質，摩爾定律的秘密持續了50多年》****

01

座右銘是摩爾定律

戈登·摩爾（Gordon Moore）是英特爾的聯合創始人，以摩爾定律的倡導者而聞名，該定律指出晶體管集成度每隔18-24個月就翻一番，他於2023 年 3 月 24 日在美國夏威夷的家中去世，享年94歲。

筆者於1987年加入日立株式會社，成為一名專門從事微細加工技術的半導體工程師。可以看出，晶體管的高集成度和微型化一直是筆者工作的主題，摩爾定律是筆者的座右銘。

換句話説，從我作為一名半導體工程師的那一刻起，摩爾定律就伴隨在我身邊。為此，筆者對摩爾先生去世的消息感到一絲涼意。與此同時，人們不禁想知道，指導全球半導體行業50多年的摩爾定律，是如何成為一個偉大的指南針的？

因此，在本文中，我想以紀念摩爾先生的意義再次考慮摩爾定律的本質。

02

什麼是摩爾定律？

圖1由Gordon Moore於1965年4月19日在一篇題為“將更多元件塞進集成電路”（計算機歷史博物館）的論文中發表。

圖1 Gordon Moore首次宣佈的“摩爾定律”；來源：Moore，Gordon E.， 計算機歷史博物館， “將更多元件塞進集成電路”

該圖的縱軸是每個集成功能（半導體芯片）的元件（晶體管）數量。此外，它被寫成Log2，這表明晶體管的數量呈指數增長。然而，該圖只涵蓋了1959年至1975年，不可能讀出 “集成水平在兩年內翻倍”。

後來，1968年與羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）一起創立英特爾的戈登·摩爾（Gordon Moore）在1975年糾正了摩爾定律，稱**“集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍”**。迄今為止，晶體管集成度以幾乎“兩年內翻一番”的速度增長。換句話説，摩爾在1965年的預測已經成為半導體行業半個多世紀的指南針。

而摩爾定律延續的背後，還有另一個定律。

03

德納德縮放比例定律

1974年，在摩爾糾正摩爾定律的前一年，IBM的Dennard發表了一篇論文，指出**“隨着晶體管密度的增加，每個晶體管的功耗會下降，因此，每平方毫米硅的功耗幾乎是恆定的。”**（圖2）。由於硅的計算能力隨着每一代新技術的發展而提高，計算機將變得更加節能。這被稱為德納德的“縮放定律”。

圖2 德納德縮放比例定律；來源：“具有非常小物理尺寸的離子注入MOSFET的設計”，IEEE Journal of Solid-State Circuits SC-9 （5）

例如，將圖3中的K=2代入可將晶體管的電路延遲降低1/2（相反，速度增加一倍），功耗降低1/4，集成度提高四倍。順便説一下，每個晶體管的成本也降低了四分之一。

換句話説，如果按照Dennard的“縮放定律”將晶體管微型化，則可以在沒有任何電路設計的情況下一舉實現高速、低功耗、高集成度和低成本。

簡而言之，摩爾定律——晶體管高集成度的指南針，以及德納德的 “縮放定律”——即晶體管越小，性能越高，已經成為半個多世紀以來汽車的兩個輪子，“晶體管集成度在兩年內翻了一番，晶體管尺寸在同樣的兩年內縮小了70%"。這種情況已經持續了半個多世紀（圖3）。

圖3 歷經50多年的摩爾定律（背後是德納德縮放比例定律）；來源：作者參考JEITA製作

04

摩爾定律的本質是什麼？

現在，讓我們重新思考一下摩爾定律的本質。2023年2月20日，筆者參加了由《科學與技術》雜誌組織的題為 “半導體器件入門 “的研討會，該研討會由日本晶體管研究領域的領軍人物、東京大學的高木信一教授主講。原因是我想重新學習晶體管的基礎知識，研究晶體管技術的發展趨勢。

筆者通過高木教授的講座，對摩爾定律的本質有了新的認識。高木教授對摩爾定律的本質做了如下解釋（圖4）。

圖4：摩爾定律的本質；資料來源：高木信一（東京大學）2023年2月20日 “半導體器件入門 “講座的幻燈片。

1、半導體的附加值隨着晶體管的微型化而增加。因為微型化可以讓更高性能的半導體以更低廉的成本實現。

2、實現微型化和高集成度的半導體可以擴大市場並獲得鉅額利潤。

3、這些利潤將被繼續用於下一階段微型化的研發和資本投資。

換句話説，摩爾定律的本質是延續這個循環。而通過這個循環，摩爾定律已經持續了50多年。

在下文中，我們將表明，半導體製造商的成功與否取決於他們在上述循環中的能力。

05

Rapidus和台積電的主要區別

對於在2022年10月宣佈將在2027年之前量產2nm半導體的Rapidus公司，筆者對其一直呈否定態度。

如果思考一下Rapidus是否能實現圖4中的循環，就不難理解為什麼Rapidus不會成功。Rapidus公司已經宣佈，到2027年將總共投資5萬億日元：2萬億日元用於開發，3萬億日元用於大規模生產。這些資金可能暫時由政府補貼來支付。

這相當於圖4中的第三點，但之後卻不可能通過第一點進入第二點。換句話説，即使能生產出2nm的半導體（甚至這也很困難），也不可能用這種技術實現**“市場擴張和獲得鉅額利潤”**。這是因為沒有fabless可以將生產外包給Rapidus。這意味着 “鉅額利潤 “無法實現，對2nm之後的下一步——1.4nm的投資也將無法實現。

與之相反的是，站在微型化前沿的台積電，已經能夠成功地循環摩爾定律的週期。

如圖5所示，它已經成功量產了最尖端的半導體，並增加了其銷售額。特別是從7nm開始，該公司已成為唯一的贏家，幾乎壟斷了最先進的半導體產品。因此，7nm後的銷售額比以前更高。

圖5 台積電按技術節點劃分的季度銷售額；資料來源：作者根據台積電的歷史經營數據編制

因此，可以説摩爾定律現在被台積電繼承了。台積電於2022年12月29日開始量產3nm。計劃是在2024-2025年左右開始量產2nm。筆者將繼續關注摩爾定律在未來會持續多久。

來源：內容由芯世相（ID：xinpianlaosiji）編譯自「jbpress」， 作者：湯之上隆