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      摩爾定律到底有沒有失效? 如何延續?

      時間:2022-01-07 12:16    來源:未知    閱讀:

      摩爾定律到底有沒有失效?摩爾定律遇到了哪些問題?

      昨日,在“2021全球高科技領袖論壇 - 全球CEO峰會&全球分銷與供應鏈領袖峰會”上,Cadence公司全球副總裁石豐瑜就以上問題做了一些思考和分享。

      石豐瑜本次大會談到:“兩百年前的人,跟二十萬年前的人在生活上沒什么變化。但是,當大家把兩百年前的人類跟二十年前的人類相比,就會發現這個差距已經無法想象了。很大一部分原因是摩爾定律加速了人類的發展。

      在石豐瑜看來,芯片制造商已經使用了各種手段來跟上摩爾定律的步伐,但還是無法避免摩爾定律的加倍效應已經開始放緩的事實,不斷地縮小芯片的尺寸總會有物理極限。誠然,有一些真真實實的數據,證明摩爾定律發展的腳步越來越艱難。但是,各行各業的專家人士都在努力延續摩爾定律。

      最后,石豐瑜表示,“萬物互聯”后所有的東西都需要半導體,人類對美好生活的向往與需求會激發人類努力延續摩爾定律。

      以下為石豐瑜演講全文,雷鋒網在不改變愿意的基礎上做出了編輯:

      (一)摩爾定律加速了人類發展

      今天就是要把我近期思考的一些的內容跟大家做個報告分享,在半導體行業28年,忽然間看清楚了一些事情,也不清楚對還是錯,我借鑒了一些Cadence的材料,跟大家一起來探討一下。

      我在想什么?想人生,想人類。

      兩百年前的人,跟二十萬年前的人生活上有什么差別?說實話,沒啥差別,可能用的工具種類稍微多了一點。

      二十萬年前的人類,跟兩萬年前的人相比,生活上有什么差別?兩萬年前的人開始畫畫了,開始祭祀,追思自己的祖先。兩萬年前的人類跟兩千年前的人類相比呢?兩千年前開始有農業、文字,開始有一些藝術上更精美的創作。兩千年前跟兩百年前的人類相比呢?兩百年前開始有工業革命了。再靠近幾十年,電力也出現了。

      可是,當大家把兩百年前的人類跟二十年前的人類相比,就會發現這個差距已經無法想象了。

      二十年前,其實還沒有智能手機,連支付寶跟微信支付都用不了的時代。但兩年前呢?大家有沒有覺得,兩百萬年前、二十萬年前、兩百萬年前、二十年前、兩年前,以及未來,這個世界會變化什么樣子?為什么?

      我想通了一點,跟這位老先生(Gordon Moore)有關。我讀物理的時候,基本他就是神一樣的存在。1965年時他說到集成電路的發展,當時隔一陣子會講“每兩年”,我折中取了18個月。每18個月到每兩年,在同一片芯片上,基本必須是同一個成本的條件之下,你能塞進去的晶體管應該是兩倍,這就是所謂的“摩爾定律”。

      讀工程、學物理的人都知道,必須要有可觀察性,要有算式可算出來。嚴格來講,摩爾定律不是一個定律,是觀察以后的結果。到后來,這個觀察以后的結果變成了預測,預測變成英特爾公司的企業使命。又經過了二三十年,變成了半導體行業的使命,變成了我們每個人的使命,每個人都在談摩爾定律。

      用1965年到2016年(剛好是整數)相除,芯片增長了170億倍,這個根本就無法想象,但蘋果公司的M1 CPU塞進去的晶體管數量,大概就是160億根。這個定律到底是18個月翻倍,還是24個月翻倍?這并不重要,重要的是它的量級反映在我們現在每天用的產品上。

      所以過去這么多年,會有二十年、兩年前這么快的發展,很大一部分都是因為摩爾定律。

      (二)摩爾定律遇到了什么問題?

      摩爾定律看起來很線性,其實根本不線性,它其實是指數曲線,它現在正在提速,往垂直的方向走。最近有很多人開玩笑,走上去的G點在哪?很多人說,或許會出現在2045年,我們可以期待看看摩爾定律發展下去,到2045年的時候全世界的生活會變成什么樣。

      幾年前開始,大家看報紙和雜志都會看到,很多人都在提,摩爾定律是不是走不下去了?是不是要撞到墻了?是不是大家開始沒辦法跟上它的腳步了?

      誠然,有一些真真實實的數據,證明這個腳步越來越艱難。

      每一個節點依次上量的時間點,原來每兩年有一個節點,到14nm開始已經拖慢了,10nm、7nm拖得更慢了。一個芯片的大小,做一個芯片到底能做多大?其實是用光照決定的,目前大概就是3.3公分 x 3.3公分的芯片。圖上的紅點,是server級的芯片大小,那個年代做出領先市場的CPU或GPU,大小都離光照機器人很遠。但是2016年開始到2017年、2018年,慢慢開始突破光照極限了,這是從另外一個角度來看摩爾定律是不是產生了問題,對我們的生活是不是帶來了影響,這是否表示,我們無法作出效能更高、算力更強的芯片?這會減緩我們整個科技進步的腳步,所以大家才會擔心。

      為什么會越走越慢?我們也可以看看到底這幾年來遇到了什么問題。

      從1965年到 0.35um、0.25um、0.18um,沒有什么問題,絕大多數是工程上的問題,工程上的問題努努力就能解決。

      接下來,會遇到物理上的問題。

      首先,通互聯。芯片越做越小,塞的晶體管越來越多,用鋁布線,很快就會產生電子遷移的問題,動力變短,芯片用不了幾年會壞掉,也會遇到光刻機的問題,原來用的光刻機光源不夠細,要改成193的,必須從半導體制程工藝里從鋁改成銅,這對制造工藝來講是非常大的挑戰。

      大家看整個構造,因為有一些透鏡和光學系統,要細一點,193nm的光源,極限大概是45nm,就沒辦法再微縮下去了。這時候就有更聰明的人在想,透鏡沒辦法解決,能不能在透鏡和微片之間加一滴水,水能夠折射,把它從45nm往下微縮一些,所以最后有一個浸沒式的光刻出來。

      做到了28nm,然后又遇到了問題,開始漏電,所以只能換材料。原來用的是偏氧化硅的東西,中間的絕緣層要全部換掉,這種更換,代表了物理、制程上的挑戰,有各式各樣的實驗。

      再往下走大家就知道了,2D解決不了漏電、質量的問題,但是有FinFET出來,本身晶體管的構架變成了3D,就像長了一個翅膀一樣。因為光源沒有解決,所以從10nm、7nm開始,要用多層光照畫線,原來畫一條線就可以解決,現在光本身就比線要粗,怎么辦?左邊曝一次光,右邊曝一次光,中間留下的細縫,剛好就是6nm,但制程成本會非常高。

      種種的物理問題,層出不窮地出現,我們接下來還可以看到,有更多的問題要解決。不過重點是,這些問題也算解決了。

      中軸,是Cadence公司為了解決這個問題寫的行數,從“0.35um”一直到今天做到10nm、7nm的時候,原來幾十萬行、幾百萬行的程序,大概已經到了幾千萬行,完全不輸一臺自駕車,很難超過一臺自駕車。

      同樣帶來的問題,無論從制程上來看,還是從EDA編程角度來看,每一個晶體管的成本開始往上跳,成本觸底。

      1965年到觸底為止,每一根晶體管的價格在每一個時代都是往下掉的,所以說不需要花腦筋,就可以往下一個制程工藝走,除非你用不了這個工藝,只要你的量不會差太多,就可以省錢,這是半導體過去幾十年來發展的真正定律。

      可是到了20nm、16nm后,成本開始增加了,大部分做生意的人開始問自己,到底要不要用下一代制程,用了有什么好處,省的是什么成本,如果把成本所有東西包進去,你的成本越來越高,到底能不能做?

      就在20nm的時候,我也參加過行業很多討論,大家覺得半導體幾乎快走到終點了,尤其是硅,成本增加后,還有幾家公司會用這個制程工藝?

      16nm的時候,幾家做手機的基本不做了,但是10nm的時候,還有人走下去。所以有人開始想5nm、3nm這些瘋狂的技術,你要想辦法繼續曝光,想辦法用更多新的構造,怎么可能會有人用?告訴大家,今天在,設計16nmFinFET以上的企業接近五十家,這僅僅是的數據而已。

      可能很多人覺得,好日子是不是要結束了?沒有不散的宴席。

      1990年我在美國讀書,教授是一個牛人,有一次他上課的時候跟我們講:“孩子們,硅看起來沒戲了,你們趕快另外找出路吧”。我還好沒聽他的話,如果聽了他的話,估計現在悔得腸子得青了。

      為什么他會這么說?就是因為剛才看到的這些物理的挑戰。從做科研的角度來看,這些東西或許不可解決,或許解決后沒有經濟效益,所以趕快看看別的材料,找軟件。三十年前,我還只是一個小伙子,現在變成了中年人了,摩爾定律依然還健在。

      這是1955年開始半導體全世界的產值;到1980年代,半導體是為了服務To B市場,大型機、通信、交換機;90年代開始,To C出現了,PC機出現了,逐漸有一些量級出現了,跟過去的大型機的量級不一樣,一旦有了數量,你就有辦法攤提掉非常高的研發成本。

      2016年后,To B跟To C同時間都出來了,這時候有了云,大家想想數據中心需要多少半導體?一個4G/5G的基站,需要多少的半導體,這是過去大家無法想象的。

      手機和終端帶來了另外一波的增長,我們現在正在享受這一波的增長。這些增長跟我剛剛講的經濟效益有什么差別?它代表的不是只有一個量級。今天如果你買一臺DVD機,下一代你要買的時候,還是一臺DVD機,基本你就是看電視、看片子,它變貴了,你肯定不買。你要多付錢的時候,就必須通過摩爾定律往前推進,成本要下降。

      現在最大的不同在哪?手機并不只是一個娛樂的終端,云也好,5G也好,帶來的附加價值,對整個經濟和你個人的生產力來說,它變成了生財工具,所以價值從頭到尾不應該成為問題,這就是半導體現在欣欣向榮,大家一片看好的原因。

      所有的預測現在來看,2020年到2030年,半導體的產值很可能會從5000億美金變成1億美金,翻一番,變成一個非常巨大的行業。以我個人的行業來講,不要跟1億美金的行業對賭,也不要跟全世界最聰明的人對賭,F在最聰明的人想跳進去,延續摩爾定律的生命。再往后,2030年后或許不是To B或To C了,“萬物互聯”,所有的東西都需要半導體,所以“人類對美好生活的向往與需求會延續著摩爾定律”。

      (三)如何延續摩爾定律

      到目前為止我們要延續摩爾定律,主要靠光刻、新材料,或者是大家覺得比較夢幻的構架。一個晶圓廠設計出一套工藝,這些制程工藝用軟件描述出來,這是不完全連續,也算連續的過程。最大的問題是,每一個人都留了一些冗余,這些冗余在摩爾定律這么艱難的狀況下,基本是不應該存在的。所以芯片設計廠商、EDA公司、晶圓廠必須緊密合作,想辦法從合作的環節里萃取/榨取一些價值出來,想辦法把摩爾定律再往前推進一、兩代。大家不要小看這些冗余和效率,跟一家公司合作,有可能會多延續半代或一代以上。

      再下一步,就走到了系統。半導體也好,芯片也好,最終要服務于系統,我們有沒有可能把它從系統拉進來,大家抱團做成one team,把誤會全部消除,做成system-technology CO-OPTIMIZATION。

      摩爾定律就說到這里,接下來我想說摩爾定律還會遇到各式各樣的問題,這些問題都需要全世界最聰明的人解決,也要投入大量的金錢。不過從現在來看,未來五年、十年我們看到了一些亮光,如果大家的年紀跟我一樣,我們大概可以干到退休。就算摩爾定律走不下去,還有一二十年的生命可以繼續往前延續。

      接下來講講我們會遇到什么問題。這不是摩爾定律本身帶來的問題,而是摩爾定律帶來的復雜度、成本定律帶來的問題。包括:制造周期越來越高,設計效率越來越長,犯一個錯誤代價非常高昂的。

      比如,送到晶圓廠生產就需要四五個月,回來發現有bug,修一修再送過去,又需要四五個月,一年時間就過去了。哪一個市場會等你一年?沒有人會等你,因為成本太高了。還有找不到人的問題,培養一代半導體的專家和優秀工程師需要很長的時間,這個時間也耗不起。這些問題大家都很頭疼,大家可以跟Cadence合作。

      90年代我讀書的時候,power講的就是晶體管本身的power,其他的power都不是問題,F在的問題開始多了,internal的power占49%。switching(拉線)的power,你越做越細,越拉越長,阻抗越來越高,現在也占到49%,拉線拉得好不好,決定一顆芯片的功耗,也就是熱的表現。

      GPU里還有一個更懸乎的東西,就是有一個新的power出現,叫Glitch power,7nm占20%,5nm占30%,這個不能不管,假設有6根信號送到一個組合邏輯里,如果到的預期跟你想的不一樣,先到的會跳動,所以會耗電,這個耗電能達到20%-30%,無法想象,這個不要自己解決,要讓工具解決,別相信你公司老師傅的話,他解決不了的。

      這個解決方式,并不是說最后芯片設計完之后才知道有這么多問題,寫RTU的時候就要知道有這么多的問題出現,要馬上修正。RTU怎么可能馬上看到power?我們正在做這個努力,這不是一個工具的問題,是一串工具作出的解決方案,讓客戶現在能夠算power,從RTU階段算到最后。算一秒沒什么了不起,可是今天算一秒鐘,可能就需要三天或一個禮拜,那這就不是解決方案。

      我們希望有一天,在很靠近的未來,就在這幾個月內,我們就有一個解決方案,讓你一秒鐘可以在一個小時內跑完,這樣你可以跑六十秒,可以看到整個power,盡早把你的構架進行修改。

      包括人找不到的問題,那就多買點工具。一個人原來只用一套工具,你讓一個人用三套工具怎么樣?絕對用得過來,就看你的方法學、流程怎么定,看你怎么跟Cadence談。

      人工智能有很多種的方法,整個流程從構架開始,到最后步驟,切成二三十段,每一段都可以有兩個選擇(是非題),大家算算一共有多少。

      以整套流程來算,客戶會有8000多萬的選擇,用哪位工程師做最好的選擇,設計出最小的芯片,功耗又最低?其實,未來是屬于人工智能,你必須要用有智慧的人,讓它用更短的時間做出來。

      我常常問客戶,用人工智能做什么?大部分的客戶回答是“做得更小,做得更快”,我的答案還有一個,“想辦法增加你的設計效率”。單個人花三個月才能設計出來的東西,如果一個人花三個禮拜就能設計好,最后的結果是一樣的,芯片沒有特別好,但你只要花九分之一的人力就能做好的話,你用不用?這是現在設計行業必須面臨的挑戰和機遇。

      最后一個例子,做regression。大家做仿真的時候,最后一秒鐘你的工程師跟你講有小問題,要改一下,絕大部分跑的都是無聊、沒用的工夫,都可以省略掉,但省略到哪里?你看不到。這時候如果有人工智能幫你分析,從你過去仿真的結果來看,跟你的改動無關,你可以跳過、省略,最后還可以做到一樣的覆蓋率,你為什么不敢試?歡迎大家跟Cadence試試看,你可以省掉一半以上的時間。

      3D-IC,大家應該知道,我這里就不贅述了,我主要再講一下它的神奇之處。

      3D-IC就是把原來巨大范圍的芯片切兩塊,比如模擬留著,數據切下來,用14nm去做模擬,最重要的數字用7nm,這是一般的做法,分成兩塊。

      最近因為客戶的需求,我們有了工具上的進步,可以做更好玩的東西。假設你現在做GPU,5nm就縮不下去了,模擬多撐了幾個時代,用3nm去做,就是在浪費自己的錢。

      有沒有辦法把一顆芯片里的抽出來,放到另一個芯片上?兩個都變成了一半的大小,功耗可以變低,良品率變高,更重要的是它的性能可以更好。它跟計算單元剛好疊在一起,距離比原來更短,達到的效能完全不一樣,這才是未來3D-IC真正想走的方向。

      我們有一個新產品,Integrity,可以幫你全部整合在一塊。

      Cadence是現在全世界唯一一家有數據工具、模擬工具、PCB工具的EDA公司,兩年前開始我們正式推出系統工具,你要算熱、電池波都可以,目前在Cadence內部并沒有整合完畢,可是我們搭了一個平臺,讓這些所有不同的工具,希望未來有同一個數據庫/界面,你可以在同一個界面里互相調工具,希望你在還不需要流片之前就能找到問題,把芯片設計出來。

      我現在充滿了熱血,跟大家分享未來半導體的發展有多光明、多有前途。今天時間有限,希望大家跟我們保持聯絡。

      - THE END -

      #摩爾定律

      原文鏈接:雷鋒網 責任編輯:隨心

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      標簽: 摩爾定律 快科技

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