摩爾定律還有下半場(chǎng)嗎？

經(jīng)過(guò)近六十年的發(fā)展后，我們對摩爾定律的認知也許不該僅僅局限在技術(shù)層面。

近些年，關(guān)于摩爾定律是否有效的爭論一直沒(méi)有停止過(guò)。

過(guò)去幾年里，黃仁勛在多個(gè)場(chǎng)合都明確表示“摩爾定律已經(jīng)失效”，是他將這個(gè)事實(shí)攤開(kāi)來(lái)擺在眾人的面前。爾后這幾年里，隨著(zhù)半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展變緩，業(yè)內已經(jīng)對此沒(méi)有太多異議，就連摩爾定律提出者戈登·摩爾都表示認同，他在多年前就稱(chēng)摩爾定律未來(lái)會(huì )失效。

原本這場(chǎng)爭論和疑惑應該隨著(zhù)“這份共識”消散，但最近還是有人跳出來(lái)提出反對，這個(gè)人就是臺積電全球營(yíng)銷(xiāo)主管Godfrey Cheng。此后在Hot chips活動(dòng)上，加入臺積電的斯坦福著(zhù)名教授Philip Wong也公開(kāi)闡述了同樣的觀(guān)點(diǎn)。作為臺積電的高管，他們的身份和言論無(wú)法令人忽視，也因此一場(chǎng)熱議再次被掀起：摩爾定律到底有沒(méi)有失效？

摩爾定律、技術(shù)與經(jīng)濟

說(shuō)起摩爾定律，它最初是由Intel創(chuàng )始人之一戈登·摩爾提出的，依據維基百科，其內容為：集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔兩年便會(huì )增加一倍。后來(lái)在不斷引用中，“兩年”經(jīng)常會(huì )被參照為“18個(gè)月”，后者由Intel研發(fā)總監David House提出。

因此隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，幾經(jīng)修正后，摩爾定律演進(jìn)為今天大眾熟知的說(shuō)法：IC上可容納的晶體管數目，約每隔18個(gè)月便會(huì )增加一倍，性能也將提升一倍。

圖片來(lái)源：華爾街新聞

顯而易見(jiàn)，摩爾定律是一個(gè)直白的技術(shù)發(fā)展走勢預測，而在過(guò)去幾十年里，每一次芯片工程師設計出性能加倍的芯片之時(shí)，它總會(huì )被他們反復提起。久而久之，因反復被驗證，摩爾定律被業(yè)內奉為“黃金定律”。

如摩爾定律所預期，隨著(zhù)制造、封裝工藝等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，單顆芯片上可容納的晶體管數目確實(shí)一直在成倍增長(cháng)。而它帶來(lái)的市場(chǎng)反應就是大小、價(jià)格不變的情況下，筆記本、手機等電子產(chǎn)品的性能每年也都在提升。

歷經(jīng)了半個(gè)多世紀的發(fā)展，半導體產(chǎn)業(yè)所帶來(lái)的影響逐漸滲透到生活中的方方面面，為信息技術(shù)革命提供了硬件支持。而在社會(huì )層面，由科技帶來(lái)的生產(chǎn)效率提升、社會(huì )改革和經(jīng)濟增長(cháng)也確實(shí)十分明顯，這讓摩爾定律的經(jīng)濟學(xué)內涵更為濃厚。后來(lái)人們對它進(jìn)行歸納，衍生出以下三種"版本"：

1、集成電路芯片上所集成的電路數目，每隔18個(gè)月就翻一番。

2、微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，價(jià)格下降一倍。

3、用一美元所能買(mǎi)到的電腦性能，每隔18個(gè)月翻兩番。

可以說(shuō)，在過(guò)去相當長(cháng)的時(shí)間里，這三條說(shuō)法均是對半導體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的正確表述。

通過(guò)這樣的表述，我們不難發(fā)現后來(lái)人們對摩爾定律的理解更離不開(kāi)價(jià)格這一因素，其描述的“價(jià)格”與“性能”之間的反比關(guān)系也明確傳達了一個(gè)信號：摩爾定律與經(jīng)濟發(fā)展有更為緊密的關(guān)聯(lián)。

2015年，值摩爾定律50周年，經(jīng)濟學(xué)家Timothy Taylor專(zhuān)門(mén)寫(xiě)了一篇名為“Moore Law at 50”的博文來(lái)闡述自己對摩爾定律的思考。在文中，他這樣去概述社會(huì )經(jīng)濟與科技的關(guān)系：“許多科技變化，比如智能手機、測基因的醫療影像技術(shù)或納米技術(shù)的進(jìn)步，都是建立在電腦的高容量大算力基礎之上。信息技術(shù)成為推動(dòng)社會(huì )財富增長(cháng)的關(guān)鍵動(dòng)力之一，因為有了技術(shù)，我們可以用一種全新的方式來(lái)管理風(fēng)險和收益，這在過(guò)去是根本不敢想象的，同時(shí)技術(shù)發(fā)展也讓全球化和外包經(jīng)濟發(fā)展空前。”

而上述的這一切，Timothy Taylor認為本質(zhì)上的驅動(dòng)力可以說(shuō)源于“摩爾定律”，即單顆芯片上不斷增長(cháng)的晶體管數目帶來(lái)的性能提升，是它讓信息技術(shù)成本降低的同時(shí)計算、存儲和傳輸能力在不斷提高，從而為社會(huì )經(jīng)濟帶來(lái)了巨大貢獻。

如Timothy Taylor所言，發(fā)展至今，摩爾定律已經(jīng)不僅僅是一項描述技術(shù)走勢的定律。在2018年的一次半導體大會(huì )上，談到摩爾定律，Intel中國研究院院長(cháng)宋繼強也強調說(shuō)，發(fā)展至今，其實(shí)我們更應該將它看作是描述半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)與經(jīng)濟發(fā)展關(guān)系的一項預測。

Intel之后，臺積電挑起“摩爾定律”重擔

在經(jīng)濟學(xué)理論中，生產(chǎn)率的提升成為促進(jìn)經(jīng)濟體量增長(cháng)的主要因素。從這個(gè)角度去看，在過(guò)去幾十年，因CPU等固定模塊長(cháng)期占據市場(chǎng)，設計成本在一個(gè)長(cháng)期穩定的狀態(tài)中，制造就占據了芯片成本的多數份額，這導致了半導體產(chǎn)業(yè)制造水平直接對芯片性能、價(jià)格產(chǎn)生影響，從而對信息技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)率的增長(cháng)產(chǎn)生影響。而提到半導體制造，近六十年來(lái)，它被認為是延續摩爾定律的關(guān)鍵點(diǎn)所在。

因此回過(guò)頭去看，半導體制造領(lǐng)域赫赫有名的那些廠(chǎng)商們——早年的IBM、Intel和現在頂住整個(gè)產(chǎn)業(yè)制造壓力的臺積電，都成為了過(guò)去經(jīng)濟增長(cháng)的關(guān)鍵推動(dòng)者。

作為曾經(jīng)的科技霸主，IBM首先開(kāi)啟了先進(jìn)半導體制造技術(shù)時(shí)代，尤其是在nm級制程工藝上。1989年，它搭建了全球第一個(gè)200nm生產(chǎn)線(xiàn)，同時(shí)在3D封裝工藝、銅互連技術(shù)、化學(xué)機械拋光、計算機化光刻等多項半導體制造技術(shù)引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)走勢，也為后來(lái)的半導體制造產(chǎn)業(yè)奠定了基調。

與此同時(shí)，AMD、Intel均在半導體制造市場(chǎng)中持續投入和布局，競爭可以說(shuō)十分激烈，而正因為緊張的局勢，半導體制造產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展按照摩爾定律預設的方向穩步向前。

后來(lái)，因技術(shù)方向錯誤，在制程上，IBM被Intel的22nm FinFET工藝一舉擊敗。在眾人一籌莫展之時(shí)，Intel成功延續了摩爾定律的生命，也因此很快就拿下了IBM原有的制造市場(chǎng)，成為nm制程工藝的接棒者。當時(shí)風(fēng)光無(wú)限，Intel引來(lái)眾多追隨者，臺積電就是其中一名。但隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，14nm、10nm......晶體管越做越小，Intel也未曾料到，有一天會(huì )在7nm上栽跟頭。

在近代工藝的發(fā)展歷史上，7nm絕對是最受關(guān)注的工藝水平之一，很多在10nm工藝上大放異彩的半導體公司都在7nm上吃了苦頭，Intel也不例外。也因此，臺積電借勢一舉打下了大半市場(chǎng)，完成了自己從追隨者到引領(lǐng)者的身份蛻變，樹(shù)立了自己的地位，拿下了高通、華為等多家主流手機公司的大單。

值得一提的是，在臺積電打敗Intel之時(shí)，伴隨而來(lái)的不僅僅是工藝技術(shù)的進(jìn)步，以臺積電為代表的水平分工模式的壯大同樣不可忽視。有業(yè)內人分析指出，在IDM時(shí)代之后，伴隨著(zhù)IBM、Intel相繼退居幕后，水平分工模式可以看做是半導體產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟中最偉大的創(chuàng )新之一，也正是借此，臺灣半導體產(chǎn)業(yè)走到了舞臺中央，臺灣經(jīng)濟因此騰飛。

制造先行，摩爾定律在后

發(fā)展至今，我們發(fā)現，其實(shí)半導體制造領(lǐng)域一直在以一個(gè)穩定的節奏向前推動(dòng)。從早期的先進(jìn)制程到現在的先進(jìn)封裝、晶體管革新，從早年的IDM時(shí)代到如今的水平分工模式，無(wú)論是技術(shù)層面的發(fā)展還是制造分工的創(chuàng )新，制造產(chǎn)業(yè)一直在不斷革新和發(fā)展。

現在，作為代工企業(yè)里的中流砥柱，臺積電也是一直在推進(jìn)對新技術(shù)、新工藝的探索，不久前，它站出來(lái)發(fā)聲，目的也是給出產(chǎn)業(yè)幾個(gè)可行的降低成本的技術(shù)方向：

1. 深入設計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化向系統技術(shù)協(xié)同優(yōu)化的轉變，采用新的系統集成方式，如用interposer的方式將多模塊集成在一起，如Chiplet；

2. 用基于硅片的先進(jìn)封裝技術(shù)將計算和存儲更為緊密集成，以提升芯片系統；

3. 新的底層材料，比如碳納米管；

可以看出，這幾個(gè)技術(shù)方向絕非空穴來(lái)風(fēng)。今年年中，用Chiplet This，臺積電已經(jīng)向業(yè)內展示了其系統封裝技術(shù)的先進(jìn)性，而史上最大單晶圓芯片Cerebras Wafer Scale Engine的背后，無(wú)疑是臺積電在硅片封裝上的技術(shù)能力在支撐，而最近刊登在nature雜志上的最新碳納米管處理器，其也讓基于第三代材料的芯片商用向前邁了一大步，而這些都將為延續摩爾定律提供動(dòng)力。

但即便如此，這幾大技術(shù)方向是否能夠給產(chǎn)業(yè)帶來(lái)真正的動(dòng)力尚不可知，并且從發(fā)展歷程來(lái)看，真正適應市場(chǎng)的技術(shù)一定會(huì )引爆市場(chǎng)，而現在整個(gè)產(chǎn)業(yè)的“平靜”多少讓人擔心：先進(jìn)制造將無(wú)法延續摩爾定律。

從有序走向無(wú)序，“失效”背后的技術(shù)變革

回顧摩爾定律，它之所以如此重要，是因為自提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的驗證，摩爾定律對于產(chǎn)業(yè)發(fā)展規律的描述有其正確性。

但是隨著(zhù)應用需求和技術(shù)走勢的變化，芯片產(chǎn)品模式也發(fā)生了翻天覆地的變化，設計在芯片中的成本占比也越來(lái)越高，加之通用性CPU不再適用于上層需求，性能和價(jià)格的發(fā)展走勢已經(jīng)無(wú)法繼續維持常數的比例關(guān)系。

因此業(yè)內人普遍認為摩爾定律失效。

黃仁勛是代表之一，他認為信息技術(shù)發(fā)展對CPU的依賴(lài)已經(jīng)弱化了許多，新的芯片產(chǎn)品比如說(shuō)GPU承擔了更多計算任務(wù)，因此再也不像摩爾定律所言，晶體管數目決定了性能、算力的發(fā)展，未來(lái)計算能力將會(huì )與系統架構、軟件生態(tài)等更多因素有關(guān)。

圖片來(lái)源：英偉達官網(wǎng)

不難理解，黃仁勛的出發(fā)點(diǎn)就是技術(shù)，即晶體管與算力之間的正比關(guān)系，從這個(gè)角度去看，摩爾定律所預言的確實(shí)不復存在了。因為在近十年來(lái)，為了追求使用體驗并迎合深度學(xué)習算法需求，市場(chǎng)都極其愿意為價(jià)格高昂、塊頭極大的GPU買(mǎi)單，而這顯然已經(jīng)偏離了摩爾定律的預期。

不過(guò)有意思的是，業(yè)內有人分析發(fā)現，從長(cháng)期的價(jià)格走勢來(lái)看，近十年GPU性能在不斷走高，價(jià)格其實(shí)在走低，頗有“摩爾定律”的意味，而這里面，GPU產(chǎn)品走勢的主要影響因素是制造工藝的提升。

但是回到整個(gè)產(chǎn)業(yè)去看，半導體技術(shù)的發(fā)展確實(shí)已經(jīng)不再如摩爾定律所預言的一般。

由此不難得出兩點(diǎn)：1.摩爾定律所說(shuō)的晶體管數目與性能之間的關(guān)系已經(jīng)不再適用半導體產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展走勢；2.因為需求和技術(shù)的變革，現在的半導體制造已經(jīng)不再是影響半導體產(chǎn)業(yè)按照摩爾定律發(fā)展的關(guān)鍵因素。

摩爾定律真的完全失效了嗎？

但是，摩爾定律背后所闡述的技術(shù)與經(jīng)濟發(fā)展關(guān)系也因此失效了嗎？

很難說(shuō)。因為正如任何一條被反復驗證的定律一般，歷經(jīng)了半導體產(chǎn)業(yè)六十年的發(fā)展，摩爾定律勢必也將隨之發(fā)展，甚至被不斷修正，因此依然有很多人對新的產(chǎn)業(yè)定律抱有期待。

現在，因為摩爾定律的失效，異構計算、AI芯片等均興起，算力、性能依然在不斷提升，但是同樣，底層芯片的成本確實(shí)也在提升。不過(guò)相較于以往只賣(mài)CPU等硬件模塊的商業(yè)模式，系統集成是現在的主流，在英偉達之后，賣(mài)服務(wù)和平臺也成為現在芯片公司再平常不過(guò)的銷(xiāo)售方式。

如果摩爾定律失效，它意味著(zhù)半導體產(chǎn)業(yè)走向了一個(gè)發(fā)展的瓶頸期，或者說(shuō)一個(gè)穩定發(fā)展階段的終結。但不僅僅如此，如Timothy Taylor所分析，半導體推動(dòng)經(jīng)濟發(fā)展的這股驅動(dòng)力將會(huì )削弱，經(jīng)濟增長(cháng)會(huì )受到一定程度的影響。

但是摩爾定律已經(jīng)不僅僅是一項技術(shù)定律，異構計算等新興技術(shù)引起的商業(yè)模式變化，乃至分工模式的變化，最終和整個(gè)社會(huì )經(jīng)濟再次融為一體，形成一個(gè)長(cháng)期穩定的局面，這確實(shí)是可期的。

最后，摩爾定律的背后故事

摩爾定律第一次正式被公眾知悉，是戈登·摩爾在供職仙童半導體期間，他于1965年4月19日在《Electronics Magazine》上刊登的一篇《讓集成電路填滿(mǎn)更多的組件》中提到了它，當時(shí)他是根據器件的復雜性（電路密度提高而價(jià)格降低）和時(shí)間之間的線(xiàn)性關(guān)系作出這一判斷的，他的原話(huà)是這樣的：“最低元件價(jià)格下的理雜性每年大約增加一倍?？梢源_信，短期內這一增長(cháng)率會(huì )繼續保持。即便不是有所加快的話(huà)。而在更長(cháng)時(shí)期內的增長(cháng)率應是略有波動(dòng)，盡管沒(méi)有充分的理由來(lái)證明，這一增長(cháng)率至少在未來(lái)十年內幾乎維持為一個(gè)常數。”這就是后來(lái)被人稱(chēng)為“摩爾定律”的最初原型。

圖 | 戈登·摩爾

1975年，摩爾在國際電信聯(lián)盟IEEE的學(xué)術(shù)年會(huì )上提交了一篇論文，根據當時(shí)的實(shí)際情況，對"密度每年回一番"的增長(cháng)率進(jìn)行了重新審定和修正。自那以后，摩爾定律就成為今天我們所見(jiàn)到的形態(tài)。

不過(guò)后來(lái)在1997年，摩爾本人在接受采訪(fǎng)時(shí)表示，他當年是把"每年翻一番"改為"每?jì)赡攴环?quot;，并聲明他從來(lái)沒(méi)有說(shuō)過(guò)"每18個(gè)月翻一番"，即現在所流傳的18個(gè)翻一番并非出自他之口。

“修正”后，這項以摩爾命名的定律就這樣流傳了下來(lái)，并在反復驗證下收獲了業(yè)內人的關(guān)注和認可。未來(lái)，很有可能，它將會(huì )再次被修正甚至以另一種形態(tài)出現。

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