半導體將在中國超越摩爾定律
作者 / 沈怡然
當前半導體已經成爲全球電子產業的命脈，但產業的基本規律——摩爾定律正逼近物理、技術和成本的極限，在6月9至11日的2021世界半導體大會暨南京國際半導體博覽會上，產業界對此進行探討，並分化出兩條路徑：延續摩爾定律或者繞道，但兩者都困難重重。
中國科學院院士毛軍發在會上表示，選擇延續摩爾定律，要克服或者延緩芯片物理原理的極限、技術手段的極限、經濟成本的極限。若選擇繞道而行，也就是採用一種全新的技術路徑，要攻克的是從未有過的難題。
其實還有第三條路：超越摩爾。
賽迪顧問股份有限公司副總裁李珂對記者表示，就像跑得太快而無暇顧及風景，手機和消費電子時代，信息產業一路遵循摩爾定律，形成了一種慣性：簡單粗暴地靠速度、集成度、更高的工藝來解決問題。而物聯網的起勢正在表明，如果不延續摩爾定律，產業仍然蘊藏着很大機遇，它可以走向應用、場景、解決方案的競爭，這種動向的改變可以超越摩爾定律。
李珂表示，機會就在中國，中國市場是一個超越摩爾定律的絕佳土壤，疫情的爆發和芯片的缺貨，讓全球意識到，中國有着大規模的人臉識別、語音識別的應用，甚至二維碼的應用，背後都需要芯片，但並不需要太高的工藝技術。
摩爾定律的減緩
1965年GordonMoore提出，當價格不變時，集成電路上可容納的元器件數量約每年增加一倍，性能也將提升一倍，在1975年，GordonMoore將此修正爲：單位面積芯片上的晶體管數量每兩年能實現翻番。
摩爾定律延伸的結果是，芯片的成本在幾十年內降低了百萬倍，給社會經濟帶來巨大的效益。中國工程院院士吳漢明在大會上表示，1970年代，晶體管價格1美元/個，這個價格如今能購買上萬個晶體管，如今一部手機中的芯片，加起來有百億級規模的晶體管，若回到1970年代，同樣一部手機要花費百億美元。
從1970年代至今，芯片的性能在不斷提升，但數據顯示，自2015年前後，芯片的各項性能的增長開始趨於飽和。吳漢明表示，從晶體管的不斷增加來看，產業仍然在遵循着摩爾定律，但是從單位成本來看，在2014年左右，芯片工藝演進至28nm時，100萬晶體管的價格大約是2.7美分，當演進到20nm時，價格反而漲到2.9美分，晶體管的漲價現象，已經違背了當初的摩爾定律。
從經濟成本角度來看，摩爾定律正在減緩。從2G到5G時代，芯片的工藝演進迅速，從90nm演進到45nm、再演進到14nm、7nm，迅速發展。AMD高級副總裁、大中華區總裁潘曉明在會上表示，新制程需要更長時間發展才能成熟，但是它的成本增加又是顯著的，尤其在從14、16nm演進到5nm這個階段。
吳漢明表示，從性能提升的角度分析，在2002年以前，每年的芯片性能提升約57%，到2010年每年提升23%，到2010年每年提升12%，直到近期，性能提升約爲3%。
延續摩爾
中國科學院院士毛軍發在會上表示，芯片現在有兩條路線，一個是延續摩爾定律，一個是繞道而行。
李珂認爲，簡單來說，延續摩爾定律，是在現有的框架下，通過提高設計、製造、封裝上的技術，把微電子的性能挖掘用盡。而繞道而行，則是邁過硅、微電子技術這些框架，利用基礎科學形成一個顛覆性的技術體系。
當前，半導體大廠正通過工藝、結構、材料的精進做成新型器件，使得技術能夠沿着摩爾定律繼續往前走，但在這條路上，產業要克服的技術和成本難題有很多。
中國工程院院士許居衍曾提出後摩爾時代的技術方向。他認爲，首先，主流方向仍然是硅基馮諾依曼架構，其瓶頸是功耗和速度的平衡問題；其次，類硅模式是延續摩爾定律的主要技術。另外，有一些新興範式，是非常前沿的未來集成電路發展方向，這屬於基礎研究範疇，最近5-10年可能看不到產業化進展。
半導體在行至後摩爾定律時代，面臨諸多的挑戰。
吳漢明院士認爲，後摩爾定律時代，芯片製造工藝正面臨三大挑戰，圖形轉移、新材料工藝、良率提升。進一步說，後摩爾時代，產業發展主要有三大驅動，高性能計算、移動計算、自主感知，這三大驅動引導了技術研發的八項內容，即邏輯技術、基本規則縮放、性能-功率-尺寸縮放、3D集成、內存技術、DRAM技術、Flash技術、新興非易失性內存技術。
吳漢明表示，最終的目標是，在2-3年內將性能、功率、面積、成本增加或減少15%-30%不等。
潘曉明表示，僅僅通過增強工藝來延續摩爾定律是不夠的，還應該尋求算力方面的創新。通常製程技術的演進，佔性能提升因素的40%，設計優化和平臺優化佔據60%。當前AMD正通過微架構上的創新，爭取在每一代CPU和GPU架構上實現性能的提升，對於被應用到閃存上的3D堆疊技術，AMD將其應用到CPU上，同時，公司還在芯片設計上尋求突破。“但是，性能提升幅度是有限的，尤其面對人工智能、機器學習、深度學習等基礎應用的爆發，對算力、性能都要求極高，通用CPU的表現相對受到限制”，潘曉明稱。
繞道而行
在會上，中國科學院院士毛軍發提到了一個繞道而行的方式——發展半導體異質集成電路，即將不同工藝節點的化合物半導體高性能器件或芯片、硅基低成本高集成度器件或芯片，與無源元件或天線，通過異質鍵合或外延生長等方式集成而實現的集成電路或系統。
在他看來，這可以推動集成電路從單一同質、二維平面，發展到異質集成、三維立體，可以突破單一工藝集成電路的功能、性能極限，算是一種新的技術路徑，科學意義和價值顯著。國際上，美國和歐盟已有相關的技術佈局。
從微系統變成複雜電子系統，會有新的挑戰。毛軍發提出三個挑戰，多物理調控，包括電磁、溫度、應力；多性能協同，包括信號、電源完整性，熱、力；多材質融合，包括硅、化合物半導體、金屬等。這些方向的改變，似乎帶來了更多的技術問題。毛軍發表示，他所主導的技術團隊正進行技術攻關。
而李珂對記者表示，關於避開摩爾定律的討論有很多，業內還有以量子計算代替普通計算、以光子替代電子等提議，但這些需要依靠基礎科學的力量，在10-20年內是很難實現的。
第三條路：超越摩爾
李珂對記者表示，就像跑得太快而無暇顧及風景，信息產業一路遵循摩爾定律，形成了一種慣性：簡單粗暴地靠速度、集成度以及更高的工藝來解決問題，而忽略了另一條路，靠多的應用、場景、解決方案來實現收益，這是一個超越摩爾的思路。
李珂表示，簡單說，就是一些場景對芯片的製程和工藝要求並沒有那麼高，夠用就好，但它需要量大、潛入不同的設備、適應不同場景。
產業趨勢看，相比消費互聯網，物聯網正展現出更大的增長潛力，包括家居、汽車、無人機，大街小巷的監控設備，甚至是工業互聯網的設備。這個市場的特點是，所需的芯片用量遠遠大於消費電子，但是對芯片性價比的要求是更高的，主要是對芯片的製程和工藝要求比手機低很多，國際大廠在製程上追趕5nm、3nm，將摩爾定律逼至極限，但這些物聯網的芯片甚至只需要28nm、45nm工藝水平。但是對芯片適配業務、適應場景的能力要求更高。
李珂認爲，所謂超越摩爾，比拼的不再是技術上的先進，而是應變能力，比如在同樣的線寬、同樣工藝上實現價值最大化以及能否在不提升工藝的情況下提升性能。而更重要的一點是，這條路徑需要更龐大的市場和應用，比如大規模城鎮化帶來基礎設施的增長，這在很多歐洲國家是無法做到的，但對中國來說恰恰是一個機遇。
中國的契機
雖然在底層的元器件上，中國是一個追趕者。最大的芯片製造廠中芯國際從90、54、28nm，追趕至7nm工藝，但相比臺積電，仍然相差至少兩代工藝。全球最大的手機市場在中國，但是手機芯片這類高價值的產品，中國幾乎依賴進口。
以手機爲例，一部手機約有十幾顆傳感器芯片，他們的供應很多來自中國本土企業，但佔據手機的價值很少，還常被主機廠壓價，生意做得很辛苦。而手機中CPU只有一顆，大廠憑着更高的工藝、更優化的設計，站在利潤的頂端。
市場的格局在變。李珂對記者表示，現在很多大廠反映，芯片生意越做越累。原來設計一塊芯片可以適配幾百萬部手機，這樣“躺賺”的時代似乎要結束了。
臺積電在2020年財報中分析，儘管手機仍然佔據收入最大份額，但市場出貨量在小幅下降，2019年降低2%，2020年再降9%，這反映了市場已經趨於飽和。而公司物聯網和汽車的收入，雖然佔比不大，但在今年一季度分別增長了10%和31%。
但在另一方面，一些並不先進的製程卻在新的市場裏找到了空間。以傳感器芯片爲例，數據顯示，2020年中國MEMS市場規模僅有70多億元，但是增速23.2%，遠高於遠高於全球平均水平。賽迪顧問物聯網產業中心的副總經理趙振越在會上表示，隨着智能手機市場的疲軟，很多傳感器企業逐漸把目光轉向了工業領域。因爲傳感器的低成本，微型化、低功耗等特點，適合大規模的應用部署，所以這些企業已經在工業互聯網領域進行了一個加速的滲透，他認爲，後摩爾時代，中國是有機會憑藉終端應用和製造業的厚積薄發，實現異軍突起的。
李珂表示，過去，往往是芯片定義整機，聯想、戴爾根據每一代CPU的性能來決定電腦。現在萬物互聯衍生出大量碎片化的市場，芯片企業無法定義汽車、無人機、甚至大規模的攝像頭、門禁該怎麼做，對於芯片的大廠來說，更多是要和整機企業協同，和政府協同，和終端客戶的協同，雖然基礎性、戰略性地位沒變，但是主導權、話語權在下降。
