摩爾定律死不死，真的重要嗎？為何半導(dǎo)體行業(yè)行業(yè)要為此爭(zhēng)論不休？

英國廣播公司《科學(xué)焦點(diǎn)雜志》網(wǎng)站5月22日刊登了題為《什么是摩爾定律?如今是否仍然適用?》的文章，摘要如下：

摩爾定律是什么?

摩爾定律是美國英特爾公司創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出的理論。這一理論最早出現(xiàn)在發(fā)表于1965年的一篇論文中。

計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的知名專家、英國曼徹斯特大學(xué)計(jì)算機(jī)工程學(xué)教授斯蒂芬·弗伯說：“摩爾發(fā)現(xiàn)，可以在集成電路上裝配的晶體管的數(shù)量每兩年左右就會(huì)增加一倍。他預(yù)言這種指數(shù)級(jí)增長過程將持續(xù)10年，也就是一直持續(xù)到1975年?！?

弗伯說：“摩爾定律實(shí)現(xiàn)的主要方式是讓晶體管變小。較小的晶體管速度更快，能效更高，(直到最近)也更便宜，因此這是一種全方位的勝利。人們會(huì)把摩爾定律與計(jì)算機(jī)性能隨時(shí)間推移而增強(qiáng)的定律相混淆，但實(shí)際上摩爾定律講的只是芯片上的晶體管數(shù)量。”

從原則上講，摩爾定律聽起來很合理，直到你做做相關(guān)的算術(shù)題。如果芯片上的晶體管數(shù)量確實(shí)遵循摩爾定律每兩年翻一番，那就相當(dāng)于晶體管數(shù)量每20年就達(dá)到之前的1000多倍，每40年就達(dá)到100多萬倍。

這可能看上去是一個(gè)巨大的飛躍，但發(fā)展趨勢(shì)實(shí)際上超出了這個(gè)預(yù)期。1983年，弗伯和英國計(jì)算機(jī)科學(xué)家索菲·威爾遜設(shè)計(jì)了一種被稱為ARM1的處理器。它實(shí)質(zhì)上是現(xiàn)代處理器的鼻祖，為我們現(xiàn)在所擁有的一切奠定了基礎(chǔ)。

ARM1處理器擁有2.5萬個(gè)晶體管。雖然從理論上講這聽起來很多，但蘋果公司2022年推出的M1 Ultra處理器的晶體管數(shù)量卻高達(dá)1140億個(gè)。使用M1 Ultra處理器的是名為Mac Studio的小型臺(tái)式電腦。

為什么摩爾定律很重要?

說一種已有近60年歷史的理論仍然適用也許聽起來有些奇怪，尤其是在瞬息萬變的現(xiàn)代技術(shù)世界中。然而，這一理論改變了消費(fèi)技術(shù)的發(fā)展方式。

弗伯說：“半個(gè)世紀(jì)以來，摩爾定律一直是半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展背后的驅(qū)動(dòng)力，它帶來了計(jì)算機(jī)、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等需要的技術(shù)。現(xiàn)代世界的很大一部分之所以成為可能，完全是因?yàn)槟柖杉捌鋵?duì)相關(guān)行業(yè)發(fā)展規(guī)劃產(chǎn)生的影響?！?

如果我們走到了摩爾定律不再適用的地步，以下問題將浮出水面：接下來適用什么定律?處理和計(jì)算能力的世界將迎來一個(gè)模棱兩可的階段。

“Moore’s Law： Alive and Well(摩爾定律活得很好)。”日前，英特爾CEO帕特·基辛格再次公開表示。

但前不久，英偉達(dá)CEO黃仁勛還在向外界傳遞摩爾定律已“死”的觀點(diǎn)。黃仁勛說道：“今天一個(gè)12英寸晶圓的價(jià)格不是貴了一點(diǎn)，而是貴了超級(jí)多。摩爾定律死了，它結(jié)束了，結(jié)束得很徹底。芯片價(jià)格會(huì)隨時(shí)間降低的故事已經(jīng)是過去時(shí)了。計(jì)算已經(jīng)不再是個(gè)芯片問題，是軟件和芯片共同的問題?！?

英特爾與英偉達(dá)之間關(guān)于摩爾定律的“生死”之爭(zhēng)，再度將該定律的“生命年限”問題推至風(fēng)口浪尖上。多位半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)人士對(duì)《中國經(jīng)營報(bào)》表示，黃仁勛與基辛格可能都沒有對(duì)，也都沒有錯(cuò)，他們爭(zhēng)的并非字面上的摩爾定律，而是未來半導(dǎo)體行業(yè)模式。

摩爾定律不是一條物理定律，而是戈登·摩爾早期通過觀察發(fā)現(xiàn)的行業(yè)發(fā)展規(guī)律。

1965年，時(shí)任仙童半導(dǎo)體公司研究開發(fā)實(shí)驗(yàn)室主任的戈登·摩爾為《電子學(xué)》雜志寫了一篇觀察評(píng)論報(bào)告，在報(bào)告中摩爾提到，工程師可以不斷縮小晶體管的體積，芯片中的晶體管和電阻器的數(shù)量每18個(gè)月左右會(huì)翻番，半導(dǎo)體的性能與容量將以指數(shù)級(jí)增長，并且這種增長趨勢(shì)將繼續(xù)延續(xù)下去。他的這種預(yù)測(cè)，被稱為“摩爾定律”。1975年，摩爾修正摩爾定律，提出每隔24個(gè)月晶體管的數(shù)量將翻番。

2015年，摩爾定律歡慶50周年，摩爾本人在接受IEEE期刊Spectrum專訪中透露，當(dāng)年他在發(fā)表摩爾定律的文章時(shí)，只是想分享趨勢(shì)觀察，沒想到該理論后來變成半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的定律。

在最初的40年里，晶體管數(shù)量的增長得益于制程工藝的創(chuàng)新，與摩爾定律一直保持著“默契”。 以CPU為例 ，從早年的180納米到后來的130納米再到90、65、45、32、28 納米。在摩爾定律的指導(dǎo)下，英特爾1971年對(duì)外公布了世界第一個(gè)微處理器4004，宣告了“一個(gè)集成電子新紀(jì)元已經(jīng)來臨”。1974年，又推出了微處理器8080。“8080”被當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)人士稱贊為有史以來最成功的微處理器之一，也正是從8080開始，個(gè)人電腦開始在全世界范圍內(nèi)流行起來。

許多人，包括摩爾本人在內(nèi)都沒有意料到摩爾定律生命力竟如此持久。摩爾曾坦言，摩爾定律不會(huì)一成不變地永遠(yuǎn)繼續(xù)下去，大約還有10~15年就會(huì)發(fā)生變化?！叭魏我灾笖?shù)增加的物理量都預(yù)示著災(zāi)難。要知道，這時(shí)就接近某種極限了。你總不能超越某種重要的極限?！?

獨(dú)立國際策略研究員陳佳對(duì)記者表示，當(dāng)時(shí)，電腦處理器性能與時(shí)間存在線性關(guān)系;又因當(dāng)時(shí)全球處理器市場(chǎng)被寡頭壟斷，導(dǎo)致其價(jià)格與時(shí)間也存在線性關(guān)系。在摩爾定律提出來的五十年間，全球半導(dǎo)體行業(yè)從未跳出來這個(gè)線性關(guān)系。

雖然在過去數(shù)十年，摩爾定律一直在影響著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但也伴隨著爭(zhēng)議，“摩爾定律已死”的說法近十年的時(shí)間里從未間斷過。

摩爾定律指的是尺寸在逐年變小的同時(shí)，芯片上集成的晶體管數(shù)量越來越多，性能也越來越強(qiáng)，在這個(gè)過程中，一直遵循著摩爾定律推進(jìn)。如果將其置入到實(shí)際消費(fèi)市場(chǎng)中，就體現(xiàn)為大概每隔兩年，新發(fā)布的手機(jī)或者電腦等電子產(chǎn)品，性能會(huì)遠(yuǎn)比前代的產(chǎn)品高出不少。

然而進(jìn)入21世紀(jì)后，單純依靠縮小尺寸的做法正走向窮途末路。不過，摩爾定律總能抓住一些“救命稻草”。在90納米時(shí)代，應(yīng)變硅技術(shù)問世。在45納米時(shí)代，一種能提高晶體管電容的新材料推出。在22納米時(shí)代，三柵極晶體管使芯片性能變得更強(qiáng)大。

但值得注意的是，摩爾定律還被附加了經(jīng)濟(jì)色彩。除了性能之外，成本/價(jià)格的同時(shí)下降也被視作參考標(biāo)準(zhǔn)。按照摩爾定律，芯片被要求在18~24個(gè)月的時(shí)間里，“既讓性能翻一倍，又讓價(jià)格降一倍”。

聊到摩爾定律，我們首先要了解這個(gè)定律的提出者——戈登·摩爾，摩爾定律的名字本身也是取自他的名字。戈登·摩爾在提出摩爾定律時(shí)是仙童半導(dǎo)體研究所的負(fù)責(zé)人，后來他有了另一個(gè)身份：英特爾的聯(lián)合創(chuàng)始人。

仙童半導(dǎo)體研究所，作為硅谷上世紀(jì)最著名的半導(dǎo)體研究所，從中走出來的人影響著今后數(shù)十年的半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展，可以說沒有仙童半導(dǎo)體，我們現(xiàn)在所熟知的一切或許都要晚上十年甚至二十年才能面世。

從仙童半導(dǎo)體在走出來的員工，先后成立了AMD、英特爾、賽靈思等你耳熟能詳?shù)钠髽I(yè)，都由仙童半導(dǎo)體離職員工創(chuàng)立，而與仙童半導(dǎo)體有淵源的半導(dǎo)體企業(yè)超過百家，這樣一家頂級(jí)半導(dǎo)體研究所的負(fù)責(zé)人，戈登·摩爾毫無疑問就是當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)頭人之一。

摩爾定律其實(shí)是一整篇論文所濃縮而成的一句話，在剛剛發(fā)布時(shí)是：“集成電路芯片可容納的晶體管數(shù)量，每隔12個(gè)月便會(huì)增加一倍，微處理器的性能提高一倍，或價(jià)格下降一半”?；蛟S這與大家?？吹降陌姹静煌?，實(shí)際上，在后續(xù)的時(shí)間里摩爾定律經(jīng)過了數(shù)次的修改，將時(shí)間從12個(gè)月改為18-24個(gè)月，也就是目前最常見的版本。

在接下來的數(shù)十年時(shí)間里，摩爾定律都成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的核心定律之一，一直引領(lǐng)著半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步?；蛟S有人疑惑，不就是一句對(duì)未來發(fā)展的預(yù)測(cè)嗎?為何能夠有如此重要的作用?

很多人可能誤以為摩爾定律里還有什么物理定律或是研究思路，實(shí)際上都沒有，僅僅是戈登·摩爾基于當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展，對(duì)未來半導(dǎo)體芯片發(fā)展所做出的一個(gè)預(yù)測(cè)。雖然僅僅是一個(gè)預(yù)測(cè)，但是這個(gè)預(yù)測(cè)是戈登·摩爾說出來的，作為當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體領(lǐng)軍人物，從業(yè)者下意識(shí)的相信并跟隨這一定律。

“我知道大家都在爭(zhēng)論‘摩爾定律’(Moore’s Law)是否死了?答案是 No!”

北京時(shí)間9月28日凌晨，Intel Innovation 2022開幕活動(dòng)上，英特爾現(xiàn)任CEO帕特·基辛格(Pat Gelsinger)聲嘶力竭地表示，“摩爾定律”沒有死，它還活得好好的(Alive and Well)。

然而一周前，英偉達(dá)(NVIDIA)創(chuàng)始人兼CEO黃仁勛卻表達(dá)截然相反的觀點(diǎn)。黃仁勛表示，以類似成本實(shí)現(xiàn)兩倍業(yè)績預(yù)期對(duì)于芯片行業(yè)來說已成為過去，“摩爾定律已經(jīng)死了?！?

兩家芯片巨頭將“摩爾定律”的爭(zhēng)論和分歧的熱度帶到了最高點(diǎn)。畢竟，除了英特爾還保持最后的“倔強(qiáng)”外，更多的人都認(rèn)為“摩爾定律”已不再適用于當(dāng)下。

半個(gè)多世紀(jì)前，“摩爾定律”預(yù)測(cè)，每隔18-24個(gè)月，芯片的晶體管密度就會(huì)增加一倍。