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    爭議摩爾定律:英特爾反駁 英偉達“結束論”

    字號:TT 2022-09-29 09:13 作者:李娜 樊雪寒 來源:第一財經

    家電網-HEA.CN報道:兩大芯片巨頭的態度截然不同,展現了當下芯片企業對于技術演進方向的不確定性。即便實現了晶體管堆積數量的增加,但是成本的飆升開始讓越來越多的企業停下對先進制程的追逐,思考摩爾定律本身的合理性。

    作為計算機行業的黃金定律,摩爾定律一直指導著芯片開發。但是隨著芯片工藝升級速度的放緩,圍繞在這一定律上的爭議也在不斷擴大。

    9月28日凌晨,面對摩爾定律的“信任危機”,英特爾CEO帕特·基辛格(Pat Gelsinger)表示,至少在未來十年里,摩爾定律“依然有效”。然而在一周前,英偉達創始人兼CEO黃仁勛卻表達了截然相反的觀點。黃仁勛表示,以類似成本實現兩倍業績預期對于該行業來說已成為過去,“摩爾定律結束了”。

    兩大芯片巨頭的態度截然不同,展現了當下芯片企業對于技術演進方向的不確定性。即便實現了晶體管堆積數量的增加,但是成本的飆升開始讓越來越多的企業停下對先進制程的追逐,思考摩爾定律本身的合理性。

    英偉達VS英特爾:摩爾定律過時了嗎?

    摩爾定律由英特爾聯合創始人戈登·摩爾(Gordon Moore)在上世紀60年代提出,逐漸演變為芯片行業的技術箴言:集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍。換言之,處理器的性能大約每兩年翻一倍,計算成本呈指數型下降。

    從行業角度來看,業界一直遵循這一定律,并按前一代制程的0.7倍對新制程節點命名,這種線性升級正好帶來晶體管集成密度翻番。因此,出現了90納米、65納米、45納米、32納米——每一代制程節點都能在給定面積上,容納比前一代多一倍的晶體管。

    這種對先進制程的追逐也極大推動了計算產業的發展,從而孕育出了高速度的互聯網、智能手機和現在的車聯網、智能冰箱和自動調溫器等。

    但隨著技術的發展,隨著工藝從微米級到納米級,同樣小的空間里集成越來越多的硅電路,產生的熱量卻越來越大,摩爾定律所推崇的“兩年處理能力加倍”的實現開始變得乏力。

    在業內看來,不斷逼近物理極限的晶體管加工早已讓現有的光刻技術“不堪重負”,CPU晶體管和能量大幅上升導致應用性能只有小幅增長,登納德縮放效應——隨著晶體管尺寸的縮小,其功率密度保持不變,從而使芯片功率與芯片面積成正比也遇到了元件物理的瓶頸。此外,摩爾定律質疑聲中最大的“噪音”來自于技術與成本的平衡。英偉達認為,隨著芯片架構變得更加復雜,硅晶片變得更加昂貴。

    黃仁勛此前在接受包括第一財經在內的記者采訪時表示:“今天12英寸的晶圓要貴得多,不是貴了一點點,是貴了非常非常多。技術越來越貴,所以我們必須使用更多辦法,像RTX、DLSS、SCR、Tensor Cores這樣的技術發明,使我們能夠繼續克服成本的增加。”

    美國喬治敦大學沃爾什外交學院安全與新興技術中心(CSET)發布的研究數據顯示,臺積電一片采用納米制程的12英寸晶圓,代工制造費用約為3萬美元,約為5納米的1.75倍。在裸片(die)面積不變(即升級架構,不增加晶體管數量)、良率不變的情況下,未來蘋果A17處理器如果采用3納米制程,成本將上漲到154美元/顆,成為iPhone成本最高的部件,而5納米的A15處理器原來只是iPhone的第三大成本零部件。

    “成本的增加對于一些芯片企業來說確實帶來了壓力。”Counterpoint分析師布雷迪(Brady)對第一財經記者表示,英偉達的部分產品從三星的8納米轉到臺積電的4納米時,成本多了一倍有余,芯片代工成本的上升讓企業選擇的技術路徑也會發生改變。

    但在英特爾看來,摩爾定律不會因為無用而結束,也不會因為經濟效益不足而受阻。

    基辛格在28日的講話中提到,英特爾正在推進制造工藝的進步,例如采用新的光刻技術和RibbonFET架構,這能夠讓公司在每個芯片上繼續塞進更多的晶體管,即使它們變得足夠小,小到可以用埃(0.1納米)單位來測量。

    “我們希望從今天的單個封裝上容納大約1000億個晶體管開始,到這個十年結束時實現在單個封裝中加入一萬億個晶體管。”

    基辛格表示,摩爾定律至少在未來的十年里依然有效。

    誰來拯救“摩爾定律”

    “摩爾定律并非自然規律,而是對集成電路性能發展的觀測或預測。過去半個多世紀以來,半導體行業大致按照摩爾定律發展,單個芯片上集成的晶體管數量從幾千個增加到十幾億個。”CIC灼識咨詢合伙人趙曉馬對記者表示,現在看來摩爾定律逐漸遭遇瓶頸。受制于芯片尺寸的物理極限、光刻技術、隧道效應、功耗和散熱、供電能力等問題,從5納米到3納米再到2納米,其間隔都超過了2年時間。

    趙曉馬表示,現在半導體行業更像是進入了后摩爾時代,需要拓展新的技術路線來延續摩爾定律。新集成、新材料、新架構逐漸成為顛覆創新的焦點。新集成包括Chiplet、先進封裝等,Chiplet由于其高性能、低功耗、高面積使用率以及低成本受到廣泛關注,在FPGA、GPU等高性能計算市場具備很高潛力。

    截至目前,包括英特爾、AMD在內的多家芯片巨頭企業都曾表明或已經在產品中導入Chiplet設計。華為于2019年也推出了基于Chiplet技術的7納米鯤鵬920處理器;AMD今年3月推出了基于臺積電3D Chiplet封裝技術的第三代服務器處理芯片;蘋果則推出了采用臺積電CoWos-S橋接工藝的M1 Ultra芯片。

    此外,趙曉馬表示,先進封裝技術也是英特爾、臺積電等巨頭的重點投入方向之一,從而緩解摩爾定律的消逝。目前行業內主要有倒裝封裝、晶圓級封裝、2.5D/3D封裝以及SiP系統級封裝等。新材料主要是以SiC、GaN、GaAs為主的第三代半導體材料,具有高頻、高功率、耐高壓高溫等特性,在5G、光伏等領域廣泛應用。而新架構是指突破馮諾依曼架構的新芯片架構,例如異構計算、RISC-V精簡指令集架構等。英偉達重點投入新架構來推動加速計算,新推出的Hopper GPU架構使AI計算性能顯著提升。

    “摩爾定律帶來的不是一場競賽。”半導體行業權威、英特爾高級院士馬克·波爾(Mark Bohr)此前曾在一場制造大會上表示,誠然有一天技術可能會達到物理極限,但突破亦存。當晶圓上的晶體管大小達到用以印刷它們的光的波長(193納米)時,物理學界明確指出不能再向前推進了,然而計算型光刻技術和多重曝光跨越了那個挑戰。

    在英特爾看來,摩爾定律已經“被失效”了很多次,但每一次都能在關鍵技術上實現突破,延續摩爾定律。“在現在這個時候,第一需要整個產業鏈一起配合,微縮工藝要提升,需要光刻機,需要把它提升到能更精細地刻畫這些特征尺寸的層級。”英特爾中國研究院院長宋繼強表示,摩爾定律的進展不是一家之力,但是如果大家都相信摩爾定律,它仍然能夠以一定的節奏延續下去,仍然會不斷有新的技術涌現出來。即使在現在CMOS工藝下,也還是可以推進到2納米以下。

    布雷迪則對記者表示,從行業發展趨勢來看,未來5年內摩爾定律仍然會持續。“但現在最大的問題在于需求部分的增長,未來市場是否仍然存在這么多小而快的產品需求,手機需求下降時,汽車、物聯網設備能否成為新技術的出???,這是最緊迫的問題,也是企業投入先進技術的最大動力。”

    (家電網? HEA.CN)

    責任編輯:編輯K組

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