摩爾定律到底有沒有失效？摩爾定律遇到了哪些問題？

昨日，在“2021全球高科技領(lǐng)袖論壇 - 全球CEO峰會&全球分銷與供應(yīng)鏈領(lǐng)袖峰會”上，Cadence公司全球副總裁石豐瑜就以上問題做了一些思考和分享。

石豐瑜本次大會談到：“兩百年前的人，跟二十萬年前的人在生活上沒什么變化。但是，當(dāng)大家把兩百年前的人類跟二十年前的人類相比，就會發(fā)現(xiàn)這個差距已經(jīng)無法想象了。很大一部分原因是摩爾定律加速了人類的發(fā)展。

在石豐瑜看來，芯片制造商已經(jīng)使用了各種手段來跟上摩爾定律的步伐，但還是無法避免摩爾定律的加倍效應(yīng)已經(jīng)開始放緩的事實，不斷地縮小芯片的尺寸總會有物理極限。誠然，有一些真真實實的數(shù)據(jù)，證明摩爾定律發(fā)展的腳步越來越艱難。但是，各行各業(yè)的專家人士都在努力延續(xù)摩爾定律。

最后，石豐瑜表示，“萬物互聯(lián)”后所有的東西都需要半導(dǎo)體，人類對美好生活的向往與需求會激發(fā)人類努力延續(xù)摩爾定律。

以下為石豐瑜演講全文，雷鋒網(wǎng)在不改變愿意的基礎(chǔ)上做出了編輯：

（一）摩爾定律加速了人類發(fā)展

今天就是要把我近期思考的一些的內(nèi)容跟大家做個報告分享，在半導(dǎo)體行業(yè)28年，忽然間看清楚了一些事情，也不清楚對還是錯，我借鑒了一些Cadence的材料，跟大家一起來探討一下。

我在想什么？想人生，想人類。

兩百年前的人，跟二十萬年前的人生活上有什么差別？說實話，沒啥差別，可能用的工具種類稍微多了一點。

二十萬年前的人類，跟兩萬年前的人相比，生活上有什么差別？兩萬年前的人開始畫畫了，開始祭祀，追思自己的祖先。兩萬年前的人類跟兩千年前的人類相比呢？兩千年前開始有農(nóng)業(yè)、文字，開始有一些藝術(shù)上更精美的創(chuàng)作。兩千年前跟兩百年前的人類相比呢？兩百年前開始有工業(yè)革命了。再靠近幾十年，電力也出現(xiàn)了。

可是，當(dāng)大家把兩百年前的人類跟二十年前的人類相比，就會發(fā)現(xiàn)這個差距已經(jīng)無法想象了。

二十年前，其實還沒有智能手機，連支付寶跟微信支付都用不了的時代。但兩年前呢？大家有沒有覺得，兩百萬年前、二十萬年前、兩百萬年前、二十年前、兩年前，以及未來，這個世界會變化什么樣子？為什么？

我想通了一點，跟這位老先生（Gordon Moore）有關(guān)。我讀物理的時候，基本他就是神一樣的存在。1965年時他說到集成電路的發(fā)展，當(dāng)時隔一陣子會講“每兩年”，我折中取了18個月。每18個月到每兩年，在同一片芯片上，基本必須是同一個成本的條件之下，你能塞進去的晶體管應(yīng)該是兩倍，這就是所謂的“摩爾定律”。

讀工程、學(xué)物理的人都知道，必須要有可觀察性，要有算式可算出來。嚴(yán)格來講，摩爾定律不是一個定律，是觀察以后的結(jié)果。到后來，這個觀察以后的結(jié)果變成了預(yù)測，預(yù)測變成英特爾公司的企業(yè)使命。又經(jīng)過了二三十年，變成了半導(dǎo)體行業(yè)的使命，變成了我們每個人的使命，每個人都在談摩爾定律。

用1965年到2016年（剛好是整數(shù)）相除，芯片增長了170億倍，這個根本就無法想象，但蘋果公司的M1 CPU塞進去的晶體管數(shù)量，大概就是160億根。這個定律到底是18個月翻倍，還是24個月翻倍？這并不重要，重要的是它的量級反映在我們現(xiàn)在每天用的產(chǎn)品上。

所以過去這么多年，會有二十年、兩年前這么快的發(fā)展，很大一部分都是因為摩爾定律。

（二）摩爾定律遇到了什么問題？

摩爾定律看起來很線性，其實根本不線性，它其實是指數(shù)曲線，它現(xiàn)在正在提速，往垂直的方向走。最近有很多人開玩笑，走上去的G點在哪？很多人說，或許會出現(xiàn)在2045年，我們可以期待看看摩爾定律發(fā)展下去，到2045年的時候全世界的生活會變成什么樣。

幾年前開始，大家看報紙和雜志都會看到，很多人都在提，摩爾定律是不是走不下去了？是不是要撞到墻了？是不是大家開始沒辦法跟上它的腳步了？

誠然，有一些真真實實的數(shù)據(jù)，證明這個腳步越來越艱難。

每一個節(jié)點依次上量的時間點，原來每兩年有一個節(jié)點，到14nm開始已經(jīng)拖慢了，10nm、7nm拖得更慢了。一個芯片的大小，做一個芯片到底能做多大？其實是用光照決定的，目前大概就是3.3公分×3.3公分的芯片。圖上的紅點，是server級的芯片大小，那個年代做出領(lǐng)先市場的CPU或GPU，大小都離光照機器人很遠(yuǎn)。但是2016年開始到2017年、2018年，慢慢開始突破光照極限了，這是從另外一個角度來看摩爾定律是不是產(chǎn)生了問題，對我們的生活是不是帶來了影響，這是否表示，我們無法作出效能更高、算力更強的芯片？這會減緩我們整個科技進步的腳步，所以大家才會擔(dān)心。

為什么會越走越慢？我們也可以看看到底這幾年來遇到了什么問題。

從1965年到 0.35um、0.25um、0.18um，沒有什么問題，絕大多數(shù)是工程上的問題，工程上的問題努努力就能解決。

接下來，會遇到物理上的問題。

首先，通互聯(lián)。芯片越做越小，塞的晶體管越來越多，用鋁布線，很快就會產(chǎn)生電子遷移的問題，動力變短，芯片用不了幾年會壞掉，也會遇到光刻機的問題，原來用的光刻機光源不夠細(xì)，要改成193的，必須從半導(dǎo)體制程工藝?yán)飶匿X改成銅，這對制造工藝來講是非常大的挑戰(zhàn)。

大家看整個構(gòu)造，因為有一些透鏡和光學(xué)系統(tǒng)，要細(xì)一點，193nm的光源，極限大概是45nm，就沒辦法再微縮下去了。這時候就有更聰明的人在想，透鏡沒辦法解決，能不能在透鏡和微片之間加一滴水，水能夠折射，把它從45nm往下微縮一些，所以最后有一個浸沒式的光刻出來。

做到了28nm，然后又遇到了問題，開始漏電，所以只能換材料。原來用的是偏氧化硅的東西，中間的絕緣層要全部換掉，這種更換，代表了物理、制程上的挑戰(zhàn)，有各式各樣的實驗。

再往下走大家就知道了，2D解決不了漏電、質(zhì)量的問題，但是有FinFET出來，本身晶體管的構(gòu)架變成了3D，就像長了一個翅膀一樣。因為光源沒有解決，所以從10nm、7nm開始，要用多層光照畫線，原來畫一條線就可以解決，現(xiàn)在光本身就比線要粗，怎么辦？左邊曝一次光，右邊曝一次光，中間留下的細(xì)縫，剛好就是6nm，但制程成本會非常高。

種種的物理問題，層出不窮地出現(xiàn)，我們接下來還可以看到，有更多的問題要解決。不過重點是，這些問題也算解決了。

中軸，是Cadence公司為了解決這個問題寫的行數(shù)，從“0.35um”一直到今天做到10nm、7nm的時候，原來幾十萬行、幾百萬行的程序，大概已經(jīng)到了幾千萬行，完全不輸一臺自駕車，很難超過一臺自駕車。

同樣帶來的問題，無論從制程上來看，還是從EDA編程角度來看，每一個晶體管的成本開始往上跳，成本觸底。

1965年到觸底為止，每一根晶體管的價格在每一個時代都是往下掉的，所以說不需要花腦筋，就可以往下一個制程工藝走，除非你用不了這個工藝，只要你的量不會差太多，就可以省錢，這是半導(dǎo)體過去幾十年來發(fā)展的真正定律。

可是到了20nm、16nm后，成本開始增加了，大部分做生意的人開始問自己，到底要不要用下一代制程，用了有什么好處，省的是什么成本，如果把成本所有東西包進去，你的成本越來越高，到底能不能做？

就在20nm的時候，我也參加過行業(yè)很多討論，大家覺得半導(dǎo)體幾乎快走到終點了，尤其是硅，成本增加后，還有幾家公司會用這個制程工藝？

16nm的時候，幾家做手機的基本不做了，但是10nm的時候，還有人走下去。所以有人開始想5nm、3nm這些瘋狂的技術(shù)，你要想辦法繼續(xù)曝光，想辦法用更多新的構(gòu)造，怎么可能會有人用？告訴大家，今天在中國，設(shè)計16nmFinFET以上的企業(yè)接近五十家，這僅僅是中國的數(shù)據(jù)而已。

可能很多人覺得，好日子是不是要結(jié)束了？沒有不散的宴席。

1990年我在美國讀書，教授是一個牛人，有一次他上課的時候跟我們講：“孩子們，硅看起來沒戲了，你們趕快另外找出路吧”。我還好沒聽他的話，如果聽了他的話，估計現(xiàn)在悔得腸子得青了。

為什么他會這么說？就是因為剛才看到的這些物理的挑戰(zhàn)。從做科研的角度來看，這些東西或許不可解決，或許解決后沒有經(jīng)濟效益，所以趕快看看別的材料，找軟件。三十年前，我還只是一個小伙子，現(xiàn)在變成了中年人了，摩爾定律依然還健在。

這是1955年開始半導(dǎo)體全世界的產(chǎn)值；到1980年代，半導(dǎo)體是為了服務(wù)To B市場，大型機、通信、交換機；90年代開始，To C出現(xiàn)了，PC機出現(xiàn)了，逐漸有一些量級出現(xiàn)了，跟過去的大型機的量級不一樣，一旦有了數(shù)量，你就有辦法攤提掉非常高的研發(fā)成本。

2016年后，To B跟To C同時間都出來了，這時候有了云，大家想想數(shù)據(jù)中心需要多少半導(dǎo)體？一個4G/5G的基站，需要多少的半導(dǎo)體，這是過去大家無法想象的。

手機和終端帶來了另外一波的增長，我們現(xiàn)在正在享受這一波的增長。這些增長跟我剛剛講的經(jīng)濟效益有什么差別？它代表的不是只有一個量級。今天如果你買一臺DVD機，下一代你要買的時候，還是一臺DVD機，基本你就是看電視、看片子，它變貴了，你肯定不買。你要多付錢的時候，就必須通過摩爾定律往前推進，成本要下降。

現(xiàn)在最大的不同在哪？手機并不只是一個娛樂的終端，云也好，5G也好，帶來的附加價值，對整個經(jīng)濟和你個人的生產(chǎn)力來說，它變成了生財工具，所以價值從頭到尾不應(yīng)該成為問題，這就是半導(dǎo)體現(xiàn)在欣欣向榮，大家一片看好的原因。

所有的預(yù)測現(xiàn)在來看，2020年到2030年，半導(dǎo)體的產(chǎn)值很可能會從5000億美金變成1億美金，翻一番，變成一個非常巨大的行業(yè)。以我個人的行業(yè)來講，不要跟1億美金的行業(yè)對賭，也不要跟全世界最聰明的人對賭。現(xiàn)在最聰明的人想跳進去，延續(xù)摩爾定律的生命。再往后，2030年后或許不是To B或To C了，“萬物互聯(lián)”，所有的東西都需要半導(dǎo)體，所以“人類對美好生活的向往與需求會延續(xù)著摩爾定律”。

（三）如何延續(xù)摩爾定律

到目前為止我們要延續(xù)摩爾定律，主要靠光刻、新材料，或者是大家覺得比較夢幻的構(gòu)架。一個晶圓廠設(shè)計出一套工藝，這些制程工藝用軟件描述出來，這是不完全連續(xù)，也算連續(xù)的過程。最大的問題是，每一個人都留了一些冗余，這些冗余在摩爾定律這么艱難的狀況下，基本是不應(yīng)該存在的。所以芯片設(shè)計廠商、EDA公司、晶圓廠必須緊密合作，想辦法從合作的環(huán)節(jié)里萃取/榨取一些價值出來，想辦法把摩爾定律再往前推進一、兩代。大家不要小看這些冗余和效率，跟一家公司合作，有可能會多延續(xù)半代或一代以上。

再下一步，就走到了系統(tǒng)。半導(dǎo)體也好，芯片也好，最終要服務(wù)于系統(tǒng)，我們有沒有可能把它從系統(tǒng)拉進來，大家抱團做成one team，把誤會全部消除，做成system-technology CO-OPTIMIZATION。

摩爾定律就說到這里，接下來我想說摩爾定律還會遇到各式各樣的問題，這些問題都需要全世界最聰明的人解決，也要投入大量的金錢。不過從現(xiàn)在來看，未來五年、十年我們看到了一些亮光，如果大家的年紀(jì)跟我一樣，我們大概可以干到退休。就算摩爾定律走不下去，還有一二十年的生命可以繼續(xù)往前延續(xù)。

接下來講講我們會遇到什么問題。這不是摩爾定律本身帶來的問題，而是摩爾定律帶來的復(fù)雜度、成本定律帶來的問題。包括：制造周期越來越高，設(shè)計效率越來越長，犯一個錯誤代價非常高昂的。

比如，送到晶圓廠生產(chǎn)就需要四五個月，回來發(fā)現(xiàn)有bug，修一修再送過去，又需要四五個月，一年時間就過去了。哪一個市場會等你一年？沒有人會等你，因為成本太高了。還有找不到人的問題，培養(yǎng)一代半導(dǎo)體的專家和優(yōu)秀工程師需要很長的時間，這個時間也耗不起。這些問題大家都很頭疼，大家可以跟Cadence合作。

90年代我讀書的時候，power講的就是晶體管本身的power，其他的power都不是問題?，F(xiàn)在的問題開始多了，internal的power占49%。switching（拉線）的power，你越做越細(xì)，越拉越長，阻抗越來越高，現(xiàn)在也占到49%，拉線拉得好不好，決定一顆芯片的功耗，也就是熱的表現(xiàn)。

GPU里還有一個更懸乎的東西，就是有一個新的power出現(xiàn)，叫Glitch power，7nm占20%，5nm占30%，這個不能不管，假設(shè)有6根信號送到一個組合邏輯里，如果到的預(yù)期跟你想的不一樣，先到的會跳動，所以會耗電，這個耗電能達(dá)到20%-30%，無法想象，這個不要自己解決，要讓工具解決，別相信你公司老師傅的話，他解決不了的。

這個解決方式，并不是說最后芯片設(shè)計完之后才知道有這么多問題，寫RTU的時候就要知道有這么多的問題出現(xiàn)，要馬上修正。RTU怎么可能馬上看到power？我們正在做這個努力，這不是一個工具的問題，是一串工具作出的解決方案，讓客戶現(xiàn)在能夠算power，從RTU階段算到最后。算一秒沒什么了不起，可是今天算一秒鐘，可能就需要三天或一個禮拜，那這就不是解決方案。

我們希望有一天，在很靠近的未來，就在這幾個月內(nèi)，我們就有一個解決方案，讓你一秒鐘可以在一個小時內(nèi)跑完，這樣你可以跑六十秒，可以看到整個power，盡早把你的構(gòu)架進行修改。

包括人找不到的問題，那就多買點工具。一個人原來只用一套工具，你讓一個人用三套工具怎么樣？絕對用得過來，就看你的方法學(xué)、流程怎么定，看你怎么跟Cadence談。

人工智能有很多種的方法，整個流程從構(gòu)架開始，到最后步驟，切成二三十段，每一段都可以有兩個選擇（是非題），大家算算一共有多少。

以整套流程來算，客戶會有8000多萬的選擇，用哪位工程師做最好的選擇，設(shè)計出最小的芯片，功耗又最低？其實，未來是屬于人工智能，你必須要用有智慧的人，讓它用更短的時間做出來。

我常常問客戶，用人工智能做什么？大部分的客戶回答是“做得更小，做得更快”，我的答案還有一個，“想辦法增加你的設(shè)計效率”。單個人花三個月才能設(shè)計出來的東西，如果一個人花三個禮拜就能設(shè)計好，最后的結(jié)果是一樣的，芯片沒有特別好，但你只要花九分之一的人力就能做好的話，你用不用？這是現(xiàn)在設(shè)計行業(yè)必須面臨的挑戰(zhàn)和機遇。

最后一個例子，做regression。大家做仿真的時候，最后一秒鐘你的工程師跟你講有小問題，要改一下，絕大部分跑的都是無聊、沒用的工夫，都可以省略掉，但省略到哪里？你看不到。這時候如果有人工智能幫你分析，從你過去仿真的結(jié)果來看，跟你的改動無關(guān)，你可以跳過、省略，最后還可以做到一樣的覆蓋率，你為什么不敢試？歡迎大家跟Cadence試試看，你可以省掉一半以上的時間。

3D-IC，大家應(yīng)該知道，我這里就不贅述了，我主要再講一下它的神奇之處。

3D-IC就是把原來巨大范圍的芯片切兩塊，比如模擬留著，數(shù)據(jù)切下來，用14nm去做模擬，最重要的數(shù)字用7nm，這是一般的做法，分成兩塊。

最近因為客戶的需求，我們有了工具上的進步，可以做更好玩的東西。假設(shè)你現(xiàn)在做GPU，5nm就縮不下去了，模擬多撐了幾個時代，用3nm去做，就是在浪費自己的錢。

有沒有辦法把一顆芯片里的抽出來，放到另一個芯片上？兩個都變成了一半的大小，功耗可以變低，良品率變高，更重要的是它的性能可以更好。它跟計算單元剛好疊在一起，距離比原來更短，達(dá)到的效能完全不一樣，這才是未來3D-IC真正想走的方向。

我們有一個新產(chǎn)品，Integrity，可以幫你全部整合在一塊。

Cadence是現(xiàn)在全世界唯一一家有數(shù)據(jù)工具、模擬工具、PCB工具的EDA公司，兩年前開始我們正式推出系統(tǒng)工具，你要算熱、電池波都可以，目前在Cadence內(nèi)部并沒有整合完畢，可是我們搭了一個平臺，讓這些所有不同的工具，希望未來有同一個數(shù)據(jù)庫/界面，你可以在同一個界面里互相調(diào)工具，希望你在還不需要流片之前就能找到問題，把芯片設(shè)計出來。

我現(xiàn)在充滿了熱血，跟大家分享未來半導(dǎo)體的發(fā)展有多光明、多有前途。今天時間有限，希望大家跟我們保持聯(lián)絡(luò)。

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