戈登·摩尔,这位半导体与计算机行业的传奇人物已离我们而去,但他提出的“摩尔定律”仍在影响着半导体行业。日本半导体专家汤之上隆,将在本篇文章中带我们重新认识这一半导体产业的“底层代码”。
以下为编译全文:《周期是本质,摩尔定律的秘密持续了50多年》
座右铭是摩尔定律
戈登·摩尔(Gordon Moore)是英特尔的联合创始人,以摩尔定律的倡导者而闻名,该定律指出晶体管集成度每隔18-24个月就翻一番,他于2023 年 3 月 24 日在美国夏威夷的家中去世,享年94岁。
笔者于1987年加入日立株式会社,成为一名专门从事微细加工技术的半导体工程师。可以看出,晶体管的高集成度和微型化一直是笔者工作的主题,摩尔定律是笔者的座右铭。
换句话说,从我作为一名半导体工程师的那一刻起,摩尔定律就伴随在我身边。为此,笔者对摩尔先生去世的消息感到一丝凉意。与此同时,人们不禁想知道,指导全球半导体行业50多年的摩尔定律,是如何成为一个伟大的指南针的?
因此,在本文中,我想以纪念摩尔先生的意义再次考虑摩尔定律的本质。
什么是摩尔定律?
图1由Gordon Moore于1965年4月19日在一篇题为“将更多元件塞进集成电路”(计算机历史博物馆)的论文中发表。
图1 Gordon Moore首次宣布的“摩尔定律”;来源:Moore,Gordon E., 计算机历史博物馆, “将更多元件塞进集成电路”
该图的纵轴是每个集成功能(半导体芯片)的元件(晶体管)数量。此外,它被写成Log2,这表明晶体管的数量呈指数增长。然而,该图只涵盖了1959年至1975年,不可能读出 "集成水平在两年内翻倍"。
后来,1968年与罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)一起创立英特尔的戈登·摩尔(Gordon Moore)在1975年纠正了摩尔定律,称“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”。迄今为止,晶体管集成度以几乎“两年内翻一番”的速度增长。换句话说,摩尔在1965年的预测已经成为半导体行业半个多世纪的指南针。
而摩尔定律延续的背后,还有另一个定律。
德纳德缩放比例定律
1974年,在摩尔纠正摩尔定律的前一年,IBM的Dennard发表了一篇论文,指出“随着晶体管密度的增加,每个晶体管的功耗会下降,因此,每平方毫米硅的功耗几乎是恒定的。”(图2)。由于硅的计算能力随着每一代新技术的发展而提高,计算机将变得更加节能。这被称为德纳德的“缩放定律”。
图2 德纳德缩放比例定律;来源:“具有非常小物理尺寸的离子注入MOSFET的设计”,IEEE Journal of Solid-State Circuits SC-9 (5)
例如,将图3中的K=2代入可将晶体管的电路延迟降低1/2(相反,速度增加一倍),功耗降低1/4,集成度提高四倍。顺便说一下,每个晶体管的成本也降低了四分之一。
换句话说,如果按照Dennard的“缩放定律”将晶体管微型化,则可以在没有任何电路设计的情况下一举实现高速、低功耗、高集成度和低成本。
简而言之,摩尔定律——晶体管高集成度的指南针,以及德纳德的 "缩放定律"——即晶体管越小,性能越高,已经成为半个多世纪以来汽车的两个轮子,"晶体管集成度在两年内翻了一番,晶体管尺寸在同样的两年内缩小了70%"。这种情况已经持续了半个多世纪(图3)。
图3 历经50多年的摩尔定律(背后是德纳德缩放比例定律);来源:作者参考JEITA制作
摩尔定律的本质是什么?
现在,让我们重新思考一下摩尔定律的本质。2023年2月20日,笔者参加了由《科学与技术》杂志组织的题为 "半导体器件入门 "的研讨会,该研讨会由日本晶体管研究领域的领军人物、东京大学的高木信一教授主讲。原因是我想重新学习晶体管的基础知识,研究晶体管技术的发展趋势。
笔者通过高木教授的讲座,对摩尔定律的本质有了新的认识。高木教授对摩尔定律的本质做了如下解释(图4)。
图4:摩尔定律的本质;资料来源:高木信一(东京大学)2023年2月20日 "半导体器件入门 "讲座的幻灯片。
1、半导体的附加值随着晶体管的微型化而增加。因为微型化可以让更高性能的半导体以更低廉的成本实现。
2、实现微型化和高集成度的半导体可以扩大市场并获得巨额利润。
3、这些利润将被继续用于下一阶段微型化的研发和资本投资。
换句话说,摩尔定律的本质是延续这个循环。而通过这个循环,摩尔定律已经持续了50多年。
在下文中,我们将表明,半导体制造商的成功与否取决于他们在上述循环中的能力。
Rapidus和台积电的主要区别
对于在2022年10月宣布将在2027年之前量产2nm半导体的Rapidus公司,笔者对其一直呈否定态度。
如果思考一下Rapidus是否能实现图4中的循环,就不难理解为什么Rapidus不会成功。Rapidus公司已经宣布,到2027年将总共投资5万亿日元:2万亿日元用于开发,3万亿日元用于大规模生产。这些资金可能暂时由政府补贴来支付。
这相当于图4中的第三点,但之后却不可能通过第一点进入第二点。换句话说,即使能生产出2nm的半导体(甚至这也很困难),也不可能用这种技术实现"市场扩张和获得巨额利润"。这是因为没有fabless可以将生产外包给Rapidus。这意味着 "巨额利润 "无法实现,对2nm之后的下一步——1.4nm的投资也将无法实现。
与之相反的是,站在微型化前沿的台积电,已经能够成功地循环摩尔定律的周期。
如图5所示,它已经成功量产了最尖端的半导体,并增加了其销售额。特别是从7nm开始,该公司已成为唯一的赢家,几乎垄断了最先进的半导体产品。因此,7nm后的销售额比以前更高。
图5 台积电按技术节点划分的季度销售额;资料来源:作者根据台积电的历史经营数据编制
因此,可以说摩尔定律现在被台积电继承了。台积电于2022年12月29日开始量产3nm。计划是在2024-2025年左右开始量产2nm。笔者将继续关注摩尔定律在未来会持续多久。
作者简介:汤之上隆先生为日本精密加工研究所所长,曾长期在日本制造业的生产第一线从事半导体研发工作,2000年获得京都大学工学博士学位,之后一直从事和半导体行业有关的教学、研究、顾问及新闻工作者等工作,曾撰写《日本“半导体”的失败》、《“电机、半导体”溃败的教训》、《失去的制造业:日本制造业的败北》等著作。