摩尔定律还有下半场吗?

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近年来,关于摩尔定律是否有效的争论没有停止。

在过去的几年里,黄仁勋已经在许多场合表明,“摩尔定律已经失效”,是他把这个事实摆在了每个人面前。在接下来的几年里,随着半导体工业的发展放缓,该行业对此并没有太多异议。甚至摩尔定律的支持者戈登·摩尔也同意这一点,他说许多年前摩尔定律在未来将会失效。

起初,争论和疑虑应该随着“共识”而消散,但最近一些人跳出来提出反对意见。此人是TSMC全球营销总监程戈弗雷。从那以后,加入TSMC的斯坦福大学著名教授黄宜弘(philip wong)也在热门芯片活动上公开表达了同样的观点。作为TSMC的高管,他们的身份和声明不容忽视,因此又一次引发了激烈的讨论:摩尔定律真的失败了吗?

说到摩尔定律,它首先是由英特尔的创始人之一戈登·摩尔提出的。根据维基百科,集成电路中可以容纳的晶体管数量大约每两年翻一番。后来,在不断的引用中,“两年”通常被称为“18个月”,这是由英特尔R&D董事大卫·豪斯提出的。

因此,随着行业的发展,摩尔定律经过几次修正后演变成今天一个众所周知的说法:集成电路上可以容纳的晶体管数量大约每18个月就会翻倍,性能也会翻倍。

来源:华尔街新闻

显然,摩尔定律(Moore Law)是对技术发展趋势的直接预测,在过去的几十年里,每当芯片工程师设计出具有双重性能的芯片时,都会被他们反复提及。随着时间的推移,摩尔定律由于反复验证而被认为是行业中的“黄金定律”。

正如摩尔定律所预期的,随着制造和封装技术的进步,单个芯片上可以容纳的晶体管数量确实呈指数级增长。它带来的市场反应是,笔记本电脑、手机和其他电子产品的性能在同样的尺寸和价格下每年都在提高。

经过半个多世纪的发展,半导体产业的影响已经逐渐渗透到生活的各个方面,为信息技术革命提供了硬件支持。在社会层面,科学技术带来的生产效率的提高、社会改革和经济增长的确非常明显,这使得摩尔定律在经济内涵上更加深刻。后来,人们对它进行了总结,并得出了以下三个“版本”:

可以说,在过去相当长的一段时间里,这三种说法都是半导体技术和工业发展的正确表述。

通过这样的陈述,我们可以很容易地发现,人们对摩尔定律的理解后来离不开价格因素。书中描述的“价格”和“性能”之间的反比关系也清楚地传达了一个信号:摩尔定律与经济发展更密切相关。

2015年,在摩尔定律50周年之际,经济学家蒂莫西·泰勒(timothy taylor)专门写了一篇名为《摩尔定律50岁》的博客,解释他对摩尔定律的思考。在文章中,他这样概述了社会经济和科学技术之间的关系:“许多技术变革,如智能手机、用于基因测试的医学成像技术或纳米技术的进步,都是基于计算机的高容量和大计算能力。信息技术已经成为推动社会财富增长的关键驱动力之一,因为有了技术,我们可以用一种全新的方式管理风险和收益,这在过去是不可想象的。与此同时,技术发展使全球化和外包经济史无前例。”

综上所述,蒂莫西·泰勒(timothy taylor)认为,基本驱动力可以说源自摩尔定律,即单个芯片上晶体管数量的增加带来的性能提升是在降低信息技术成本的同时,计算、存储和传输能力的不断提高,从而为社会经济带来巨大贡献。

正如蒂莫西·泰勒所说,摩尔定律不仅仅是描述技术趋势的定律。英特尔中国研究院院长宋继强在2018年的半导体大会上谈到摩尔定律时也强调,自其发展以来,我们实际上应该将其视为描述半导体行业技术与经济发展关系的预测。

在经济理论中,生产率的提高已经成为促进经济增长的主要因素。从这个角度来看,在过去的几十年里,由于cpu等固定模块长期占据市场,设计成本在芯片成本中占据了大部分份额,处于长期稳定的状态,这导致半导体行业的制造水平直接影响到芯片的性能和价格,从而影响到信息技术的进步和生产力的增长。谈到半导体制造,在过去的60年里,它一直被认为是延续摩尔定律的关键点。

因此,回顾过去,半导体制造领域的著名制造商——早期的ibm和英特尔,以及现在承受整个行业制造压力的TSMC,都成为过去经济增长的关键驱动力。

作为前科技霸主,ibm首先开创了先进半导体制造技术的时代,特别是纳米级工艺技术。1989年,它建立了世界上第一条200纳米的生产线。同时,它引领了许多半导体制造技术的行业趋势,包括3d封装技术、铜互连技术、化学机械抛光、计算机光刻等。这也为未来的半导体制造业定下了基调。

与此同时,amd和英特尔继续在半导体制造市场进行投资和部署,竞争可以说非常激烈。由于形势紧张,半导体制造业发展迅速,产品技术的发展按照摩尔定律预设的方向稳步前进。

后来,由于错误的技术方向,ibm被英特尔的22纳米finfet工艺击败。在人们束手无策的时候,英特尔成功地扩展了摩尔定律,从而迅速赢得了ibm最初的制造市场,成为纳米工艺技术的继承者。当时,景色无边无际,英特尔吸引了许多追随者。TSMC就是其中之一。但是随着工业的发展,14纳米和10纳米的晶体管...变得越来越小。英特尔没有预料到有一天它会在7纳米处绊倒。

在现代技术发展史上,7纳米无疑是最受关注的技术水平之一。许多在10纳米技术上取得非凡成就的半导体公司在7纳米技术上遭受了损失,英特尔也不例外。结果,TSMC利用这一形势一举奠定了大部分市场,完成了从跟随者到领导者的转型,确立了自己的地位,并赢得了高通、华为等许多主流手机公司的大量订单。

值得一提的是,当TSMC打败英特尔时,不仅伴随着技术进步,还伴随着以TSMC为代表的横向分工的扩大。一些内部人士指出,在idm时代之后,随着ibm和英特尔相继后退,横向分工模式可以被视为半导体工业经济中最伟大的创新之一。也正是通过这一点,台湾的半导体工业达到了舞台的中心,台湾的经济起飞了。

到目前为止,我们发现半导体制造领域一直在稳步前进。从早期的先进制造工艺到现在的先进封装和晶体管创新,从早期的idm时代到现在的横向分工模式,制造业在技术发展和制造分工创新方面都在不断创新和发展。

如今,作为贴牌生产企业的中流砥柱,TSMC也一直在推进新技术、新工艺的探索。不久前,TSMC站出来让人们听到它的声音,以便给行业提供几个可行的技术方向来降低成本:

可以看出,这些技术方向绝非毫无根据。今年年中,TSMC用小芯片向业界展示了其系统封装技术的进步。在历史上最大的单晶片芯片背后,大脑晶片规模引擎无疑是TSMC在硅片封装方面的技术能力。然而,最近发表在《自然》杂志上的最新碳纳米管处理器也在基于第三代材料的芯片的商业应用方面向前迈出了一大步,这将为摩尔定律的延续提供动力。

然而,即便如此,这些主要的技术方向是否能给该行业带来真正的推动力仍不清楚。从发展历史的角度来看,真正适应市场的技术一定会启动市场。然而,整个行业的“平静”有些令人担忧:先进制造业将无法延续摩尔定律。

回顾摩尔定律,它是如此重要,因为经过几十年的验证,摩尔定律在描述工业发展规律方面是正确的。

然而,随着应用需求和技术趋势的变化,芯片产品模型也发生了翻天覆地的变化。芯片中设计的成本比例也在增加。此外,通用cpu不再适合上层需求,因此性能和价格的发展趋势不能继续保持恒定的比例关系。

因此,人们普遍认为摩尔定律在这个行业是无效的。

黄仁勋是代表之一。他认为信息技术的发展削弱了它对cpu的依赖。gpu等新芯片产品承担了更多的计算任务。因此,与摩尔定律不同,晶体管的数量决定了性能和计算能力的发展。未来,计算能力将与系统架构和软件生态等更多因素相关。

资料来源:Avida官方网站

不难理解,黄仁勋的出发点是技术,即晶体管和计算力之间的比例关系。从这个角度来看,摩尔定律并不存在。因为在过去的十年里,为了追求使用经验和满足深度学习算法的需求,市场非常愿意为价格高、块大小大的gpu买单,这显然偏离了摩尔定律的预期。

然而,有趣的是,业内一些人发现,从长期价格趋势来看,gpu性能在过去十年一直在不断上升,但价格却在下降,这就有了“摩尔定律(Moore's Law)的含义。其中,gpu产品趋势的主要影响因素是制造技术的提高。

但是回顾整个行业,半导体技术的发展不再像摩尔定律预测的那样。

由此不难得出两点:1 .摩尔定律(Moore Law)提到的晶体管数量与其性能之间的关系不再适用于半导体行业的整体发展趋势;2.根据摩尔定律,由于需求和技术的变化,半导体制造不再是影响半导体工业发展的关键因素。

然而,摩尔定律背后的技术和经济发展之间的关系失败了吗?

很难说。因为就像任何被反复验证过的定律一样,摩尔定律在半导体工业发展了60年后必然会发展,甚至会被修正。因此,许多人仍然期待新的工业法规。

现在,由于摩尔定律的失败,异构计算和人工智能芯片正在出现,计算能力和性能仍在不断提高。然而,底层芯片的成本也在增加。然而,与以前只出售cpu和其他硬件模块的商业模式相比,系统集成现在是主流。继Avida之后,销售服务和平台已经成为芯片公司最常见的销售方式。

如果摩尔定律失败,这意味着半导体工业正走向发展的瓶颈期,或者稳定发展阶段的结束。但正如蒂莫西泰勒(timothy taylor)所分析的那样,不仅如此,半导体推动经济发展的驱动力将被削弱,经济增长也会受到一定程度的影响。

然而,摩尔定律不再仅仅是一个技术定律。异构计算等新兴技术引起的商业模式的变化,甚至分工的变化,最终将再次与整个社会经济融合,形成长期稳定的局面。这确实是一种可以预见的情况。

当戈登·摩尔为飞兆半导体工作时,摩尔定律首次被公众正式知晓。他在1965年4月19日电子杂志上发表的一篇题为“用更多元件填充集成电路”的文章中提到了这一点。当时,他是基于器件复杂性(电路密度增加而价格下降)和时间之间的线性关系做出这一判断的。他的原话如下:“最低组件价格下的复杂性大约每年翻一番。我们可以肯定,这一增长率将在短期内持续下去。如果不是更快。从长期来看,增长率应该略有波动,尽管没有足够的理由证明这一增长率至少在未来十年将保持几乎不变。”这是后来被称为摩尔定律的原始原型。

照片|戈登·摩尔

1975年,摩尔在国际电信联盟ieee年会上提交了一篇论文。根据当时的实际情况,对“密度一年一回”的增长率进行了重新审视和修正。从那时起,摩尔定律已经成为我们今天看到的形式。

然而,1997年,摩尔本人在接受采访时表示,他已将“每年翻一番”改为“每两年翻一番”,并表示他从未说过“每18个月翻一番”,也就是说,现在流传的18倍并非来自他。

“修订”后,以摩尔命名的法律就这样传承下来,经过反复验证,获得了业界的关注和认可。将来,它很可能会被再次修订,甚至以另一种形式出现。

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