摩尔定律即将失效，中国芯片业应该如何应对？摩尔定律 芯片最小尺寸

　　自英特尔的联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）于 1965 年经过观察称每隔 18~24 个月，集成电路上可容纳的元器件数目便会增加一倍，芯片的性能也会随之翻一番，以他名字命名的「摩尔定律」便成了几十年来半导体行业进步背后的金科玉律。

　　▲戈登·摩尔

　　像是在上世纪 60 年代第一批集成电路上的 10 多个晶体管到目前的芯片上动辄上百亿个晶体管，摩尔定律在很大程度上主导了科技产品的迭代更新以及自我实现。

　　▲苹果 A12X 芯片上集成了 100 亿个晶体管，图自：Apple

　　不过这一套几十年来一直管用的定律却也越来越显现出了其局限性，最突出的表现便是各大半导体厂商近年来被用户吐槽的「挤牙膏」行为了。

　　就连发现摩尔定律的英特尔自己，若按照其 2007 年之后提出的每两年「钟摆」（Tick-Tock）策略进行产品升级，本应在 2022 年就推出其 10nm 工艺的处理器，然而事实上英特尔的 10nm 处理器已经连续跳票了 3 年直至今年。

　　那么摩尔定律真的失效了么？

　　▲英特尔钟摆策略示意，图自：Intel

　　在谈论这个问题之前，我们首先得弄清目前是什么限制了摩尔定律的继续发展。

　　我们都知道芯片制程工艺的提升能够减小晶体管的面积，使得相同面积的芯片上能集成更多的晶体管，同时还能降低晶体管的功耗及硅片成本，而这固然是其好的一方面。但随着制程工艺提升，以纳米为长度单位的晶体管之间由于距离太短、绝缘层太薄，漏电的情况同样也就随之而来了，这反而增加了芯片的功耗（这也是此前台积电因漏电率高导致功耗大而被戏称为「台漏电」的原因）。

　　不过即使漏电的情况已经能通过多种办法得以缓解或者解决，但当晶体管在 10nm 以下时，由于晶体管的电子会产生「量子隧穿效应」，导致电子不按设计的道路移动，运算准确性将受到严重影响，以硅为基础的芯片材料或许将被替代。

　　综上，摩尔定律前方的一大阻力便是芯片本身的物理极限。

　　▲目前英特尔的晶圆，硅或许在未来将被替代，图自：Intel

　　此外，另一大阻碍则是芯片研发的成本越来越高。

　　虽说上文提到制程工艺提升的结果使得单位面积相同的晶圆能造出更多芯片从而能降低成本，但也正是由于芯片未来发展存在种种障碍，使得芯片要想迈向更高的台阶，半导体厂商的投入将呈倍数增长。

　　根据 AMD 在 IEDM 会议上的资料，若将生产 250 平方毫米的 45nm 芯片的生产成本定为基准 1，14/16nm 芯片的成本将达到 2，而生产 7nm 芯片的成本更将翻倍达到 4。

　　▲图自：AMD

　　而具体的研发投入金额在下面这张图中则更为直观。

　　从 65nm 2850 万美元的研发投入到 16nm 的 1.06 亿美元再到 5nm 的 5.42 亿美元，不难发现，芯片越来越成为一场烧钱的游戏。至于更加先进的 3nm 芯片的研发成本，IBS 的 CEO Handel Jones 则表示将达到 40 亿至 50 亿美元，而若加上建造一座每月生产 40000 片晶圆的工厂，成本更是将达到 150~200 亿美元。

　　但是据估算，到 3nm 芯片的时代，如此高昂的成本相较于性能的提升将从现在的 30% 下降至约 20%，这显然十分划不来，而且这样的投入还不一定能换来消费者的买单。

　　▲图自：IBS

　　至此，可以说摩尔定律或许真的已经走到了尽头，芯片未来的发展也面临着诸多的挑战，不过这并不意味着芯片产业将陷入停滞。

　　英伟达 CEO 黄仁勋就一直在鼓吹摩尔定律已经过时，而纵观英伟达在近期的动作，高端显卡产品越卖越贵，中端的产品线则越来越丰富，在佩服「老黄刀法」日益精湛的同时，或许我们也要习惯因技术创新难度越来越高产品越来越贵的未来。跟智能手机一样，芯片产业的增长或许也将转为依靠价格的提升。

　　▲英伟达 CEO 黄仁勋展示 RTX 2060 显卡

　　此外，人脑的神经元总数约有 1000 亿个，是芯片的晶体管能够达到的数量，却实现了芯片所达不到的众多多样性的功能，所以或许芯片的进步也可以从硬件的进步切换至算法及软件上的进步，用相同的芯片实现更多的功能。

　　一些芯片制造商也在为特定的应用设计单独的芯片，以支持单独领域的发展进步，而不是试图去创造一个一刀切的硬件，比如华为的为 AI 而设计的 NPU 等。

　　当然，或许还有一个终极解决方案——量子计算？

　　首席投资官评论员门宁：

　　摩尔定律——出自英特尔联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）之手——意指：每两年芯片中集成的晶体管数量就会翻一番。

　　摩尔定律存在，是半导体企业保持技术领先的重要原因。

　　因为技术的不断更迭，让头部企业可以始终保持技术优势，进而获得更高毛利。而技术落后的企业，将持续处于追赶态势，且由于技术落后无法获得与头部企业相同的利润率，低利润的情况下，追赶难度可想而知。

　　我们现在就处在追赶者的位置上，目前台积电已经可以量产7nm制程的芯片，而大陆半导体制造商中芯国际14nm预计要在明年1季度才能实现量产。中芯国际在过去始终落后台积电两个世代以上。

　　随着制程不断缩小，制程已经逐渐接近硅原子的直径，目前有传言5nm或3nm就是硅半导体制程的极限。未来台积电很可能会在5nm或3nm突破后遇到瓶颈，这给作为追赶者的中芯国际赢得了时间。

　　中芯国际现在要应开足马力，加快研发，利用这个千载难逢的机会缩小与台积电的差距。前台积电、三星大将梁梦松博士加入中芯国际后，中芯14nm制程研发进度明显加快。

　　中芯国际在中报中公布：第一代14nmFinFET技术研发已进入客户导入阶段，28nmHKC+技术开发完成，28nmHKC持续上量，良率达到业界水平。

　　相信中芯通过5-10年的追赶，有机会进入半导体制造的第一梯队。

　　摩尔定律是在现有的硅基芯片的基础上快失效了，因为硅的原子量大了一些，可能一两纳米的情况下，漏电问题就会严重产生，可能再往下做的可能性比较小了。于是芯片行业可能就会迎来革命性的变化。

　　首先是延续摩尔定律的努力一直都是存在的，那么新的方案大概有以下几种：

　　碳基芯片：与硅基芯片相比，碳基芯片成本更低、功耗更小、效率更高的优势。大概有石墨烯和碳纳米管两种材料的方案。麻省理工学院、斯坦福大学和北大的研究已经取得了一定的成果，但离商业化量产还有很长的路要走。

　　光子芯片：第一款光子处理器2022年，美国三所大学的研究人员开发出一款光子芯片，它可以用光来传输数据，速度比过去的芯片大幅提升，能耗也大大减少。研究者宣称这是第一款成熟的、用光传输数据的处理器。芯片每平方毫米处理数据的速度达到300Gbps，比现有的标准处理器快10倍甚至50倍。研究人员用7000万个晶体管和850个光子元件（用来发送和接收光）组成2个处理器内核，整个芯片只有3 X 6毫米大。现在英特尔在这方面的研究取得不错的成果，前段时间还看到华为在英国设立相关的研究中心来投入研究。

　　量子计算：谷歌，IBM，英特尔和一大批规模较小的初创公司正在竞相提供最先推出的量子计算机。这些计算机将凭借量子物理学的力量，提供由“量子比特”提供的难以想象的处理能力。这些量子比硅晶体管强大得多。虽然取得了不错的成果，仍然是离商业化很远。

　　纳米磁逻辑：纳米磁铁使用纳米磁力逻辑来传输和计算数据。他们通过使用光刻固定在电路蜂窝结构上的双稳态磁化状态来实现这一点。纳米磁逻辑的工作方式与硅基晶体管的工作方式相同，但不是通过晶体管的导通和关断来创建二进制代码，而是通过切换磁化状态来实现这一点。使用偶极 - 偶极相互作用 - 每个磁体的北极和南极之间的相互作用 - 可以处理该二进制信息。

　　摩尔定律不是第一次受到挑战，已经有好几次当大家认为其已经到尽头的时候，却很快找到了替代方案，但本次的飞速可能略有不同，因为接近原子的物理极限还是首次。如果不出意外，应该是真要停滞上相当长的一段时间，使芯片逐步变成普通商品，这可能就是中国的机会吧。

　　突然有一天，某些突破性的研究成果，可能还是会再续写一段摩尔定律的新传奇，希望那一天里面不要少了中国公司的名字。

　　且不管“摩尔”不摩尔，就芯片说来，举我们一国之力指定是行不通的。

　　我们已经全然地知道了，芯片从沙土到成品的制造全过程，是全世界几乎所有科技工业的顶级发达国家合作的结果！换句话说，单就美国、日本、荷兰甚至是德国也无力造它出来。

　　那我们想想看，对于我们说来：无论是科技还是工业仍处在发展阶段的国家，怎么可能综合所有人类科技发展的最高成果于一身呢！？不能于“一身”，就造不出芯片来，就这么一个浅显的常识。

　　怎么办？坐以待毙吗？当然不是！这事我想了很久，是不是要另行道路，创造出来一套全新的人工智能计算系统？想来想去，除此之外，还有其他的选择吗？

　　这是一个比较专业的问题，希望我的回答能够给大家带来知识增量！

　　首先简单解释下，什么是摩尔定律。

　　摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

　　摩尔定律即将失效其实说的是信息技术进步将放缓，对于在信息技术落后的国家是利好，给了追赶的机会。就好比马拉松比赛中，第一集团在后程中因体力因素放缓了前进的脚步，那么处于第二集团及以后的选手就可以发力追上第一集团。

　　众所周知，我们在芯片领域尤其是芯片制造领域处于落后状态，属于我国卡脖子技术领域。那摩尔定律失效对于我们追赶先进国家提供了机遇，我们需要发挥体制优势，集中人力物力财力，加大攻关力度，争取在最短时间内追赶甚至超越美国！

　　最后想说的是，不用太过于在乎什么定律是否失效，永远不失效的定律是加大研发投入，掌握核心技术，才能立于不败之力！如果回答令你满意，请关注 并留言转发，感谢??！