摩尔定律58周年：世上再无戈登·摩尔
编辑 | 漠影
芯东西4月19日报道，58年的今天，戈登·摩尔提出“摩尔定律”，当时集成电路才诞生6年。就连摩尔本人也没想到，从那以后，“摩尔定律”成为半导体产业圣经般的存在，一直指导微芯片的演进，载着信息时代飞速前行，让曾经只是幻想的各种便携消费电子产品走进千家万户。摩尔的工作造就了硅谷，催生了个人电脑（PC）以及苹果、谷歌、微软等巨头的出现，推动了世界范围内的重大技术进步。从笨重的台式计算机，到轻薄的笔记本电脑，再到更轻便的平板电脑、智能手机、智能手表，这一切进步都紧随着摩尔定律的步调。摩尔留下的无形财产，改变了全球数十亿人的生活。而这一切的定调者戈登·摩尔，于今年3月24日在夏威夷的家中与世长辞，享年94岁。
▲摩尔定律的提出者戈登·摩尔（图源：英特尔）
1960年代，当摩尔开始涉足电子领域时，单个硅晶体管的售价为150美元。后来，10美元可以购买超过1亿个晶体管。摩尔曾写道，如果汽车的发展速度与计算机一样快，“每加仑汽油可以行驶100,000英里，而且购买劳斯莱斯汽车比停放它更便宜。”今天，一颗芯片已经能塞下多达数千亿个晶体管，为需要庞大数据和计算量的人工智能系统提供算力支撑。英特尔以及众多芯片制造商们，还在继续努力答好这位硅谷先驱留下的考卷：进入后摩尔时代，“摩尔定律”还能续写多久？无论这个问题的答案如何，历史已经证明，谁能率先将更小、更精密、更强大的新一代芯片推向市场，谁就能够获得巨大的经济回报，并赢得下一场计算革命的话语权。
▲2005年，摩尔手持硅晶圆
01.改变世界的一则预言
▲摩尔定律论文的原始草稿（图源：芯片历史中心半导体虚拟博物馆）
这被称为“摩尔定律”的术语，并非科学意义上经过验证的理论，而是一个戈登·摩尔根据观察到的数据总结出来的预言。按此规律演进，芯片的功能和性能得以一路提升，同时成本一路下降。在论文中，他预见了这些更加强大的芯片的潜在应用，“集成电路将会催生家用电脑、汽车自动控制和个人便携式通信设备等奇迹”。
▲摩尔的论文中包含这幅漫画，预测计算机将与其他消费品一起销售的时间
事实证明，摩尔精准预见了十年后的未来。根据他的预测，到1975年，最先进的微芯片应该能够容纳多达65000个晶体管。当年发布的一个新的内存芯片系列的实际晶体管数量是65536个。为了更好反映晶体管密度的实际增长，摩尔定律被修正为：芯片中集成的晶体管数量，大约每两年翻一番。不久之后，芯片与软件的迅猛发展将世界推进波澜壮阔的信息时代。
▲《在集成电路上容纳更多组件》论文中配图
戈登·摩尔参与创办的英特尔也迅速崛起，从被日企按地摩擦的美国存储芯片厂商之一成功转型成为全球最大的微处理器与芯片制造巨头。尽管时过境迁，再有远见的预言终究迎来了落伍的一天，摩尔定律不可避免地会因硅材料物理限制而走向终结，曾经高举“破坏性创新”战旗的英特尔也深陷大象转身难的窘境，但无论信息时代如何风云变幻硝烟四起，无论一个个新灵感如何对世界进行摧枯拉朽的破坏与重塑，许多半导体产业上下游公司仍是摩尔定律的忠实信徒，他们正努力探索更多的途径，通过更新摩尔定律的定义，让它继续扮演引领科技发展的灯塔。英特尔现任CEO基辛格在戈登·摩尔的悼词中表达了对摩尔定律的执着追求：“在英特尔，我们仍然受到摩尔定律的启发，并将一直追求摩尔定律，直到元素周期表用尽。”02.摩尔定律的诞生，黄金三角的聚首英特尔鼎盛时代的序幕
▲硅谷“八叛徒”合影
很快，仙童半导体声名鹊起，成立不到半年就跃居第二大半导体巨头，地位仅次于另一家美国老牌半导体巨头德州仪器。仙童半导体也成为孕育硅谷半导体人才的沃土。1969年，在森纳瓦举行过一次半导体产业头面人物的会议，有人专门做了统计，与会的400人中，只有24人没在仙童公司干过。到1984年，从仙童直接或间接分出的公司已经超过70家。在仙童期间，“八叛徒”的领袖人物罗伯特·诺伊斯发明了第一个单片集成电路，戈登·摩尔提出了摩尔定律的伟大预言，从加州大学伯克利分校博士毕业的安迪·格鲁夫成为摩尔的得力助手。那是半导体产业的拓荒时期，技术的快速革新催生出汹涌的创业机会。“八叛徒”成员再次陆续叛逃，最后诺伊斯和摩尔也决议出走，带着格鲁夫一起，于1968年7月18日共同创立了英特尔。一个新的硅谷传奇就此拉开序幕。诺伊斯、摩尔和格鲁夫，这三位单拎出来都极其耀眼、足以青史留名的人物，构成了业界罕见的黄金三角。
▲诺伊斯（图左）、格鲁夫（图中）、摩尔（图右）合影
三人的组合如此完美互补：诺伊斯生性洒脱，豁达正直，兼具成就与威望，仅用5分钟就筹集到了250万美元的创业资金，奠定了英特尔的开局；摩尔性情沉着谦和，为英特尔提供了穿越周期的核心力量；格鲁夫性格强硬偏执，展现出超群的经商谋略与管理智慧，领导英特尔在复杂多变的竞争环境中渡过危局并成功登顶。70年代末期，诺伊斯开始游离于英特尔的日常经营之外，公司交由摩尔和格鲁夫打理。摩尔从1975年到1987年期间担任英特尔CEO，并一直担任英特尔董事长到1997年，其CEO职位由日后被称作硅谷传奇管理者的格鲁夫接任。英特尔起初专注于半导体存储器，结果被正值盛世的日本存储芯片巨头打得节节败退，几乎没有生存空间。摩尔与格鲁夫毅然决定，放弃存储器市场，转型做微处理器，从此一举奠定了英特尔30年的世界半导体霸主地位。1992年，英特尔成为全球最大的半导体公司，销售额达58亿美元，利润首次突破10亿美元。1995年，英特尔累计生产了1.6亿颗芯片，其微处理器已经进入全球80%的计算机中。到1997年，英特尔的销售额已经高达250亿美元，市值达1147亿美元，格鲁夫成为美国《时代》周刊年度人物。此后英特尔在先进制造技术领域长期领先于竞争对手。2011年，英特尔对晶体管设计进行了彻底的改变，2012年量产世界上第一个22nm 3D三栅极硅晶体管。与英特尔于1971年推出的首款微处理器4004相比，22nm处理器的运行速度提高了4000倍以上，每个晶体管的能耗降低到原来的1/5000左右、价格下降到原来的约1/50000。
▲1970年~2010年英特尔芯片及制程演进
直到2014年，同为摩尔定律坚定信奉者的两家亚洲晶圆代工巨头，开始向英特尔的“领导地位”发起猛烈的冲击。03.摩尔定律“生死论”英特尔的失落与雄心
▲2015年~2020年制程升级放缓
但到2010年代中后期，围绕“摩尔定律将死”的预测开始沸沸扬扬。物理尺寸微缩日渐濒临物理极限，工艺节点迭代在密度、性能和功耗方面的优化效果不再显著，升级到更先进制程的芯片设计和生产成本却急剧上升。业界意识到必须引入其他领域的创新，才能进一步续命摩尔定律。
▲随着制程升级，250mm Die成本迅速提升
而摩尔定律的“嫡系”践行者英特尔，一边竭力捍卫着摩尔定律的可行性，另一边却在急剧加速的数字化进程中乱了自己的阵脚，将最先进制程领导者的殊荣拱手相让。2014年，英特尔开始量产14nm FinFET，此时台积电和三星还在20nm徘徊。此时仅从字面上的纳米数字就能看出英特尔的领先地位。
▲半导体代工厂制程路线图（来源：Anysilicon）
然而两年足以令产业骤变。2016年，台积电和三星的10nm先后投入量产，英特尔却仍在14nm裹足不前，开始量产第二代14nm+。等2018年台积电和三星挺进7nm赛点，英特尔的10nm才姗姗来迟。英特尔10nm制程“难产”，早在2013年就初见端倪。一开始有传闻说英特尔将在2015年用10nm技术生产CPU，后来又说推迟到2016年、2017年，继而将大规模量产时间推到2020年。不过，单从纳米数字来比较，对英特尔多少是不公平的。因为台积电和三星都在制程节点的命名上玩了点文字游戏。同样叫10nm，台积电的晶体管密度为4810万个/mm²，三星的是每平方毫米5160万个/mm²，而英特尔的10nm晶体管密度达到了1.008亿个/mm²，接近三星的7nm晶体管密度（1.0123亿个/mm²）。因此英特尔在2017年下半年还公开宣称“在制程工艺上保持着大约三年的领先性”，并不是说大话。
▲英特尔、台积电、三星10nm技术密度对比
但随着7nm开始量产落地，无论从技术领先性还是销售额来看，全球芯片制造行业的主导权已经一步一步移交到台积电的手中。从2018年下半年开始，台积电7nm已经全面量产，相应收入也快速攀升，被苹果A12、华为麒麟980、高通骁龙855等当时最先进的旗舰智能手机芯片采用，而三星的7nm迟迟未见商用。趁着这个时间窗口，台积电很快在7nm以及随后2020年开打的5nm制程商用之战中取得压倒性的胜利。三星则一路快马加鞭，在2022年6月成功拔得3nm量产的头筹，台积电3nm也于同年下半年量产。两家的2nm都将在2025年量产。根据全年财报，台积电2022财年营收达759亿美元，净利润341亿美元；英特尔2022财年营收下滑至631亿美元，净利润从往年的200亿美元左右跌至80亿美元。
▲英特尔2018财年~2022财年净利润变化
但眼下还不是气馁的时候。近三年，英特尔正加快追赶的脚步，2021年宣布IDM 2.0战略，推出英特尔代工服务，并公布全新的制程节点命名，计划4年更迭5个节点，到2025年重夺制程技术的领先地位。目前英特尔已完成其前两代埃米节点Intel 20A和Intel 18A工艺的开发，计划到2024年量产。按照英特尔的预言，摩尔定律仍将延续，到2030年，半导体行业将迈入“万亿时代”：全球半导体市场的规模将达到一万亿美元，单个封装内将能够集成一万亿个晶体管，同时AI大模型万亿级的参数规模也带来了前所未有的市场需求。
▲英特尔从90nm到Intel 18A节点所采用的一系列前沿技术
此时此刻，其实摩尔定律是否失效这个问题，答案早已不那么重要。随着扩展单个芯片的能力放缓，业界已经将视线转向系统级创新，将摩尔定律的定义从晶体管密度的提升转换成了芯片整体性能的提升。新器件、新材料、新存储、新架构、2.5D/3D先进封装、软件系统、high-NA EUV光刻等多方技术创新的组合升级将扮演越来越重要的角色。续命摩尔定律变得更具挑战性，但技术创新永不枯竭。严格意义上摩尔定律的失效无可避免，但只要芯片从业者们继续积极探寻突破计算瓶颈的新途径，芯片性能的提升远未达到尽头。04.结语：传奇人物谢幕，创新精神永存
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