半导体将在中国超越摩尔定律

中国科学院院士毛军发在会上表示，选择延续摩尔定律，要克服或者延缓芯片物理原理的极限、技术手段的极限、经济成本的极限。若选择绕道而行，也就是采用一种全新的技术路径，要攻克的是从未有过的难题。

其实还有第三条路：超越摩尔。

赛迪顾问股份有限公司副总裁李珂对记者表示，就像跑得太快而无暇顾及风景，手机和消费电子时代，信息产业一路遵循摩尔定律，形成了一种惯性：简单粗暴地靠速度、集成度、更高的工艺来解决问题。而物联网的起势正在表明，如果不延续摩尔定律，产业仍然蕴藏着很大机遇，它可以走向应用、场景、解决方案的竞争，这种动向的改变可以超越摩尔定律。

李珂表示，机会就在中国，中国市场是一个超越摩尔定律的绝佳土壤，疫情的爆发和芯片的缺货，让全球意识到，中国有着大规模的人脸识别、语音识别的应用，甚至二维码的应用，背后都需要芯片，但并不需要太高的工艺技术。

摩尔定律的减缓

1965年GordonMoore提出，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件数量约每年增加一倍，性能也将提升一倍，在1975年，GordonMoore将此修正为：单位面积芯片上的晶体管数量每两年能实现翻番。

摩尔定律延伸的结果是，芯片的成本在几十年内降低了百万倍，给社会经济带来巨大的效益。中国工程院院士吴汉明在大会上表示，1970年代，晶体管价格1美元/个，这个价格如今能购买上万个晶体管，如今一部手机中的芯片，加起来有百亿级规模的晶体管，若回到1970年代，同样一部手机要花费百亿美元。

从1970年代至今，芯片的性能在不断提升，但数据显示，自2015年前后，芯片的各项性能的增长开始趋于饱和。吴汉明表示，从晶体管的不断增加来看，产业仍然在遵循着摩尔定律，但是从单位成本来看，在2014年左右，芯片工艺演进至28nm时，100万晶体管的价格大约是2.7美分，当演进到20nm时，价格反而涨到2.9美分，晶体管的涨价现象，已经违背了当初的摩尔定律。

从经济成本角度来看，摩尔定律正在减缓。从2G到5G时代，芯片的工艺演进迅速，从90nm演进到45nm、再演进到14nm、7nm，迅速发展。AMD高级副总裁、大中华区总裁潘晓明在会上表示，新制程需要更长时间发展才能成熟，但是它的成本增加又是显著的，尤其在从14、16nm演进到5nm这个阶段。

吴汉明表示，从性能提升的角度分析，在2002年以前，每年的芯片性能提升约57%，到2010年每年提升23%，到2010年每年提升12%，直到近期，性能提升约为3%。

延续摩尔

中国科学院院士毛军发在会上表示，芯片现在有两条路线，一个是延续摩尔定律，一个是绕道而行。

李珂认为，简单来说，延续摩尔定律，是在现有的框架下，通过提高设计、制造、封装上的技术，把微电子的性能挖掘用尽。而绕道而行，则是迈过硅、微电子技术这些框架，利用基础科学形成一个颠覆性的技术体系。

当前，半导体大厂正通过工艺、结构、材料的精进做成新型器件，使得技术能够沿着摩尔定律继续往前走，但在这条路上，产业要克服的技术和成本难题有很多。

中国工程院院士许居衍曾提出后摩尔时代的技术方向。他认为，首先，主流方向仍然是硅基冯诺依曼架构，其瓶颈是功耗和速度的平衡问题；其次，类硅模式是延续摩尔定律的主要技术。另外，有一些新兴范式，是非常前沿的未来集成电路发展方向，这属于基础研究范畴，最近5-10年可能看不到产业化进展。

半导体在行至后摩尔定律时代，面临诸多的挑战。

吴汉明院士认为，后摩尔定律时代，芯片制造工艺正面临三大挑战，图形转移、新材料工艺、良率提升。进一步说，后摩尔时代，产业发展主要有三大驱动，高性能计算、移动计算、自主感知，这三大驱动引导了技术研发的八项内容，即逻辑技术、基本规则缩放、性能-功率-尺寸缩放、3D集成、内存技术、DRAM技术、Flash技术、新兴非易失性内存技术。

吴汉明表示，最终的目标是，在2-3年内将性能、功率、面积、成本增加或减少15%-30%不等。

潘晓明表示，仅仅通过增强工艺来延续摩尔定律是不够的，还应该寻求算力方面的创新。通常制程技术的演进，占性能提升因素的40%，设计优化和平台优化占据60%。当前AMD正通过微架构上的创新，争取在每一代CPU和GPU架构上实现性能的提升，对于被应用到闪存上的3D堆叠技术，AMD将其应用到CPU上，同时，公司还在芯片设计上寻求突破。“但是，性能提升幅度是有限的，尤其面对人工智能、机器学习、深度学习等基础应用的爆发，对算力、性能都要求极高，通用CPU的表现相对受到限制”，潘晓明称。

绕道而行

在会上，中国科学院院士毛军发提到了一个绕道而行的方式——发展半导体异质集成电路，即将不同工艺节点的化合物半导体高性能器件或芯片、硅基低成本高集成度器件或芯片，与无源元件或天线，通过异质键合或外延生长等方式集成而实现的集成电路或系统。

在他看来，这可以推动集成电路从单一同质、二维平面，发展到异质集成、三维立体，可以突破单一工艺集成电路的功能、性能极限，算是一种新的技术路径，科学意义和价值显著。国际上，美国和欧盟已有相关的技术布局。

从微系统变成复杂电子系统，会有新的挑战。毛军发提出三个挑战，多物理调控，包括电磁、温度、应力；多性能协同，包括信号、电源完整性，热、力；多材质融合，包括硅、化合物半导体、金属等。这些方向的改变，似乎带来了更多的技术问题。毛军发表示，他所主导的技术团队正进行技术攻关。

而李珂对记者表示，关于避开摩尔定律的讨论有很多，业内还有以量子计算代替普通计算、以光子替代电子等提议，但这些需要依靠基础科学的力量，在10-20年内是很难实现的。

第三条路：超越摩尔

李珂对记者表示，就像跑得太快而无暇顾及风景，信息产业一路遵循摩尔定律，形成了一种惯性：简单粗暴地靠速度、集成度以及更高的工艺来解决问题，而忽略了另一条路，靠多的应用、场景、解决方案来实现收益，这是一个超越摩尔的思路。

李珂表示，简单说，就是一些场景对芯片的制程和工艺要求并没有那么高，够用就好，但它需要量大、潜入不同的设备、适应不同场景。

产业趋势看，相比消费互联网，物联网正展现出更大的增长潜力，包括家居、汽车、无人机，大街小巷的监控设备，甚至是工业互联网的设备。这个市场的特点是，所需的芯片用量远远大于消费电子，但是对芯片性价比的要求是更高的，主要是对芯片的制程和工艺要求比手机低很多，国际大厂在制程上追赶5nm、3nm，将摩尔定律逼至极限，但这些物联网的芯片甚至只需要28nm、45nm工艺水平。但是对芯片适配业务、适应场景的能力要求更高。

李珂认为，所谓超越摩尔，比拼的不再是技术上的先进，而是应变能力，比如在同样的线宽、同样工艺上实现价值最大化以及能否在不提升工艺的情况下提升性能。而更重要的一点是，这条路径需要更庞大的市场和应用，比如大规模城镇化带来基础设施的增长，这在很多欧洲国家是无法做到的，但对中国来说恰恰是一个机遇。

中国的契机

虽然在底层的元器件上，中国是一个追赶者。最大的芯片制造厂中芯国际从90、54、28nm，追赶至7nm工艺，但相比台积电，仍然相差至少两代工艺。全球最大的手机市场在中国，但是手机芯片这类高价值的产品，中国几乎依赖进口。

以手机为例，一部手机约有十几颗传感器芯片，他们的供应很多来自中国本土企业，但占据手机的价值很少，还常被主机厂压价，生意做得很辛苦。而手机中CPU只有一颗，大厂凭着更高的工艺、更优化的设计，站在利润的顶端。

市场的格局在变。李珂对记者表示，现在很多大厂反映，芯片生意越做越累。原来设计一块芯片可以适配几百万部手机，这样“躺赚”的时代似乎要结束了。

台积电在2020年财报中分析，尽管手机仍然占据收入最大份额，但市场出货量在小幅下降，2019年降低2%，2020年再降9%，这反映了市场已经趋于饱和。而公司物联网和汽车的收入，虽然占比不大，但在今年一季度分别增长了10%和31%。

但在另一方面，一些并不先进的制程却在新的市场里找到了空间。以传感器芯片为例，数据显示，2020年中国MEMS市场规模仅有70多亿元，但是增速23.2%，远高于远高于全球平均水平。赛迪顾问物联网产业中心的副总经理赵振越在会上表示，随着智能手机市场的疲软，很多传感器企业逐渐把目光转向了工业领域。因为传感器的低成本，微型化、低功耗等特点，适合大规模的应用部署，所以这些企业已经在工业互联网领域进行了一个加速的渗透，他认为，后摩尔时代，中国是有机会凭借终端应用和制造业的厚积薄发，实现异军突起的。

李珂表示，过去，往往是芯片定义整机，联想、戴尔根据每一代CPU的性能来决定电脑。现在万物互联衍生出大量碎片化的市场，芯片企业无法定义汽车、无人机、甚至大规模的摄像头、门禁该怎么做，对于芯片的大厂来说，更多是要和整机企业协同，和政府协同，和终端客户的协同，虽然基础性、战略性地位没变，但是主导权、话语权在下降。

作者 / 沈怡然