摩尔定律是什么（摩尔定律不管用了吗？）正方：已死

博通公司CTO Henry Samueli早在2013年就表示过，15年后摩尔定律就不管用了，称现有半导体工艺将在5 nm阶段达到极限。

张汝京在2014年接受媒体采访时表示，摩尔定律极限是14nm，但是随着相关厂商在封装技术与材料方面的优势，该极限可扩充至7nm。

英伟达CEO黄仁勋在CES 2019上说，长期以来一直认为的 " 计算机处理能力将每两年翻一番 " 的摩尔定律，已经达到了它的发展极限。

一代巨擎张忠谋于2014年便在公开场合表示，摩尔定律正在苟延残喘，预计还有5-6年寿命。而在2017年时，他认为摩尔定律现在更多反映经济学定理，即单位晶体管的价格会每两年减少1半，但在2025年就很难达到。

反方：活着

台积电研发负责人、技术研究副总经理黄汉森博士说道：毋庸置疑，摩尔定律依然有效且状况良好，它没有死掉、没有减缓。他甚至在PPT中提及，到2050年，晶体管特征尺寸将到达0.1nm。

“摩尔定律已经死了？”英特尔说这是误导，它活得很好。

全球光刻机之王ASML的CEO Peter Wennick说，其实他们的技术规划已经推进到了2030年，请张忠谋放心。

 

摩尔定律是什么？

摩尔定律创始人 图源 | nanohub.org

进入正题前，先解释晶体管。第一个晶体管是1947年由贝尔实验室制造，如今泛指一切以半导体材料为基础的单一米件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、晶闸管等，晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流，且具有自控开合、速度快等特点。

晶体管可以算得上现代微处理器最核心组成，目前微处理器中集成了数十亿个近乎完全相同的晶体管，因此，提高晶体管的性能和密度是提高微处理器工作性能的最直接方法。

摩尔定律定义

诞生于1965年，是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出，揭示信息技术进步的速度。

指当价格不变时，集成电路上可容纳的米器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美米所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。

早期晶体管的缩小都是类二维的，为了满足摩尔定律，会将晶体管长宽各缩小到原来的0.7，从而获得面积缩小近一半的目的（0.7*0.7≈0.5）。

根据摩尔定律，制程节点以0.7倍（实际为根号2的倒数）递减逼近物理极限，从1μm、0.8μm、0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm、5nm、3nm……

此外还增加如28nm、20nm等半节点，都是根据传统国际半导体技术路线图规定，即制程节点代数以晶体管半节距（half-pitch）或栅极长度（gate length）等特征尺寸（CD，critical dimension）来表示得出的结果。

但是节点的演变没有完全遵循既定方向发展，尤其在20/22nm引入FinFET以后，最小金属间距减小变得很慢，厂商为了凸显出自家先进性，故意将半节距的定义模糊，开始混乱起来。

下面是英特尔、台积电和格芯三家不同的定义细节：

信息源：WikiChip

 

从上图中，可知为什么英特尔10nm和台积电7nm属于同等级别。而目前拉开这两家晶圆厂差距是不良率问题，在10nm、7nm的关键节点上，英特尔被台积电完爆，挤牙膏式的“+”、“++”工艺进阶寒凉了不少粉丝的心，一个科技界的指路明灯变成了普通的学习机器。

 

摩尔定律之瓶颈

摩尔定律目标是制造更小、更好的微处理器，但是事实证明这件事情变得越来越难。

图源 | Ars Technica

芯片单位面积上可集成的与米件数量一定会达到极限，只是没有人可以告知我们，这个极限到底是多少，到底什么时候才会达到这个极限？

技术角度

随着硅片上线路密度的增加，其工艺复杂性和差错率就会呈指数形式增长，同时也大大增加了全面测试的难度。

试想，如果芯片内连接晶体管的线宽达到nm级，相当于几个原子的大小，在这种情况下，材料的物理、化学性能都将会发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体失去正常工作的能力，摩尔定律也就走到了尽头。

而放眼当下，最大的制约摩尔定律前行的应该就是光刻工艺的发展了。对于最先进的EUV技术来说，不仅光刻设备是瓶颈，材料甚至光罩上的pellicle也是瓶颈。

设备角度

光刻设备难点在于要提供精度与产率兼备的设备系统，不管是光学系统的精度还是运动结构都是难点。

简单举例来说一个，一个镜片上有一个2nm的凹坑，拿来当放大镜一点毛病没有，用到90nm节点镜头可能也可接受，更高精度的呢?当然现有的10nm是依靠多重图形实现的，并不能一次光刻实现。

但是多重图形方案也带来了两个问题：一次光刻下的工程误差冗余要转嫁到多重图形方案中，所以光刻设备的控制精度实际要进一步提升；多重图案即使用SADP技术，也需要多次光刻实现，这就需要更多的光刻设备来维持一个代工厂的芯片周转率。

精度要求高、需求量大，因此产能有限，这也从另一个角度回答了为什么英特尔10nm标识限量的原因（上述提到的是良率问题）。

经济角度

目前开发一款7nm芯片成本是3亿美米，5nm预测是5亿美米，而3nm很可能到10亿美米。

投资建设一个新7nm工厂是150亿美米，那么5nm工厂将需要投资300亿美米，3nm则理论上是600亿美米。

此外，作为工艺环节不可缺少的光刻机厂商，ASML仅对EUV研发投入就达到90亿欧米之巨（听说也是向英特尔、台积电、三星等巨头筹资入股才完成的）。

五大半导体厂商答卷

英特尔-英雄迟暮

制程工艺上，Intel 从2015年到2019上半年都耕耘14nm工艺；10nm工艺说是在2019年6月份量产了，首发平台是Ice Lake处理器，6月份出货，其他10nm工艺产品将到2020及2021 年推出。

下一代7nm预计会在2021年量产，将首次采用 EUV 光刻工艺，相比10nm工艺晶体管密度翻倍，每瓦性能提升20%，设计复杂度降低4倍。

从Intel公布的7nm工艺的具体细节来看，晶体管密度翻倍没有什么意外，正常都应该是这样，不过每瓦性能提升20%，这个数据要比预期更低，说明在10nm之后，Intel的先进工艺在性能提升方面遇到瓶颈。

图源 | 英特尔官网

 

另据外媒报道，今年IEEE国际电子设备会议(IEDM)上，英特尔发布2019年到2029年未来十年制造工艺扩展路线图，计划用10年将制造工艺由10nm升级至1.4nm。期间每两年升级一次，每代会有+和++两个迭代版本，其中10nm稍有不同，其包含10nm++和10nm+++两个迭代版本。

台积电-进阶的巨人

台积电是全球7nm工艺的晶圆厂的最大赢家，官方表示市面上所有用7nm芯片，均由台积电生产。

数据显示，截至2019年6月份，台积电7nm已经获得了60个NTO(New Tape Out的缩写，也就是新产品流片)，预测在2019年这个数字也将会突破100个。

台积电今年还推出7nm+工艺，作为其首个使用EUV光刻技术的节点，逻辑密度是前一代工艺的1.2倍，良率表现和7nm相比也不分伯仲。

随后，台积电将推出了6nm工艺，按照台积电的说法，这个工艺将会在未来相当长的一段时间内扮演重要的角色。

图源 | 台积电

台积电提到了专门为移动和HPC应用优化的5nm工艺，据最新消息称台积电的5nm工艺良率已经达到了50%，比当初7nm工艺试产之前还要好，最快明年第一季度就能投入大规模量产。

在5nm之后，台积电也规划了一个性能增强版的5nm+工艺。据介绍，这个工艺较之5nm将有7%的速度提升，15%的功耗降低。

再往后，台积电就要进入深水区，迎来晶体管结构大改的3nm工艺，据最新消息显示，台积电对3nm工艺的发展情况很满意。

其也在积极进军2nm节点，目前来说还是在技术规划阶段，台积电给自己制定的目标是2nm工艺2024年量产。

 

三星-良率困扰

三星在10nm、7nm及5nm进度都比台积电晚，导致其只抢到IBM、NVIDIA及高通部分订单。

图源 | Samsung

根据路线图，三星工艺近期有14nm、10nm、7nm、3nm三个重要节点，其中14nm会演化出11nm，10nm会演化出8nm，7nm则会演化出6nm、5nm、4nm。

而每种工艺往往又会根据性能、功耗的不同而分为多个版本，比如14nm分成了14LPE、14LPP、14LPC、14LPU，3nm则分成3GAE、3GAP，预计会采用全新的材料。

在工艺进度上，三星今年4月份已经在韩国华城的S3 Line工厂生产7nm芯片，今年9月宣布完成了4nm工艺的开发。

此外，三星在9月表示，在3nm节点，将从FinFET晶体管转向GAA环绕栅极晶体管工艺，其中3nm工艺使用的是第一代GAA晶体管，官方称之为3GAE工艺，预计在2020年完成3nm工艺开发。

格芯-转战FD-SOI

格芯作为全球第二大晶圆代工厂，在2018年没能逃脱亏损命运，以致于母公司阿布扎比穆巴达拉投资基金都撑不住，在去年8月份宣布停止烧钱的7nm及以下工艺研发，和卖掉一系列晶圆厂后，转战FD-SOI，来满足高速增长的物联网市场。

图源 | 官网

格芯高级副总裁 Americo Lemos 表示，格芯已经拥有22 个应用平台，包括毫米波、存储和射频等。

目前，格芯已经从 40、50 nm工艺深入到 22 nm。在2019年，22FDX工艺已经有26个产品 tape out，其中一半的客户来自于中国市场。

此外，在9月宣布，采用12nm FinFET工艺，成功流片基于ARM架构的高性能3D封装芯片。这意味着格芯亦投身于3D封装领域，将与英特尔、台积电等公司一道竞争异构计算时代的技术主动权。

中芯国际-崛起之姿

代表大陆自主技术水平的就是中芯国际、华虹半导体的28nm工艺，而近日中芯国际对外宣称其14nm制程工艺的芯片已经正式实现量产，并将于2021年正式出货。

图源 | 官网

此外，中芯国际于2019年从ASML购入了一台EUV光刻机，为研发7nm工艺做准备。虽然距离世界先进水平还有距离，但这也算是“中国芯”史上的一大突破吧。

总结

正如业内人士称：“摩尔定律是关于人类创造力的定律，而不是物理学定律”。我们不能否认摩尔定律带动了半导体产业的白热化，它一方面可以倒逼技术的演进，但另一方面也极致地体现了资本家早有准备的利益最大化思想，因此摩尔定律称不上是真正意义上的定律，而只是谋取利益的一种手段。