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眼看就是清明,该聊聊摩尔定律了
wanchong | 2014-04-02 07:16:09    阅读:5855   发布文章

▍ 过去一两年里,常有人谈到摩尔定律是否能延续的问题,现在眼看着半导体工艺即将进入10nm这一数量级,硅材料在经典物理的道路上眼看就要走到尽头,半导体行业该何去何从?


预言还是自我实现?

  1965年,时任仙童半导体公司工程师的Gordon Moore(后来和Robert Noyce一起从仙童辞职,创立了Intel公司)受邀为《Electronic Magazine》35周年版撰文,预测接下来的10年内半导体器件会如何发展。Gordon Moore回顾了从1959年到1965年这期间集成电路的发展历程,得到了一个有趣的发现——以1959年平面工艺的诞生为开端,能够集成到芯片上的元件数目大约每年翻一倍,到1965年时,半导体技术已经能在一块芯片上集成约60个器件。于是,Gordon Moore就根据当时技术的发展速度大胆预测:到1975年时,应当可以在一块芯片上集成大约60,000个器件,也就是大约每年翻一倍,同时,芯片上平均每个晶体管的价格也会因此而显著下降。

  而到了1975年,Gordon Moore认为自己的判断是不够准确的,忽略了部分关键因素,因此他认为此后应当是每两年芯片上晶体管的集成度会翻一倍。Gordon Moore自己也强调,他从未说过周期是“18个月”,但由于当时在Intel工作的Dave House的缘故,Gordon Moore的说法一直被引述为现在所共知的“18个月”。

Gordon E. Moore,1965年

  在Gordon Moore最初提出这样的判断时,半导体行业不会料到接下来的半个世纪里Gordon Moore的预言会是如此准确,甚至于将其称之为摩尔定律(Moore’s Law)。到现在,半导体行业内的很多人都把摩尔定律作为行业发展大方向的指引,特别是最近几年,当摩尔定律出现无法继续应验的危机时,其意义有如告诉虔诚的基督徒上帝不存在一般。

  可是,当我们理性地看待摩尔定律时,所见到的情形却是不一样的。在那些信奉摩尔定律的人之外,也有一些人——甚至包括Gordon Moore自己,认为摩尔定律实际上是一个自我实现的预言:意思是说,当Gordon Moore做出这样的判断之后,整个半导体行业实际上是在以摩尔定律为标度来调整自身的发展步伐,并非是摩尔定律做出的预言何其准确和伟大,而是半导体行业在努力往摩尔定律的路子上靠。

「囚徒困境」

  在过去的半个世纪里,半导体行业的环境可以看成是典型的“囚徒困境”。

  对于任何一家公司来说,其天职永远是为股东赚取利润,而利润可以简单看做销售收入减去总成本。对于半导体公司而言,总成本可以简单分作两个层面:研发费用;生产成本,销售、管理费用。半导体公司的初期研发投入是很大的,因此,在芯片销售价格固定不变的情况下,只有通过尽可能地提高销量来摊薄研发费用,从而才能提高平均每个芯片的利润率。但是,随着更多的芯片投放到市场中,芯片的边际效用开始凸显,芯片的需求量将逐步下降,芯片的价格将逐步下跌。当芯片价格下跌到一定程度时将保持稳定,半导体公司的利润率也将逐渐停止增长,保持稳定。从最理想的情况来假设,即行业内的所有公司都约定只生产和销售这一种芯片,且价格和数量恒定——也就是大家选择“合作”,那么所有的公司都可以高枕无忧地赚取这一饱和市场的固定利润。那么,Gordon Moore的预言就不可能实现了。

  但实际情况是,市场中开始出现了新的需求——有人希望买到性能更好的芯片。作为“囚徒困境”中的“警察”,提出新需求的这群芯片的既有购买者和潜在购买者向半导体公司开出的“条件”是:如果半导体公司能提供更好性能的芯片,他们能够接受以比现在稳定的市场价格更高的价格去购买更好的芯片,并放弃购买现有的芯片。这样一来,摆在半导体公司面前的有两条路:要么继续生产现有的芯片,维持现有的利润,一旦有其它公司推出更好的芯片,现有芯片的销路将立即下降;要么研发更好的芯片来取代现有芯片,以赚取更高的利润。很明显,任何一家半导体公司都会假定其它公司都选择了研发更好的芯片。于是,市场中所有的公司都开始研发新产品,即都选择了“背叛”。

  “合作”为半导体公司带来舒适但不可持续的利润,“背叛”需要付出巨大研发代价,但能让半导体公司继续生存下去并赚取更高的利润。“囚徒困境”博弈的结果就是半导体行业开始一次又一次地进入下一个工艺节点,开始了周期性的循环,周期的长度,就是目前通常所认为的摩尔定律的“18个月”。

摩尔定律之死

  不管摩尔定律所划定的节奏是“1年”、“2年”、抑或“18个月”,摩尔定律所揭示的应当是半导体市场发展的大致客观规律,而非精密公式。所以,尽管摩尔定律经受住了半个世纪的检验,半导体行业也不应把“18个月”当做了金科玉律的标杆,而忽略了自身的客观尺度。现阶段大家讨论摩尔定律无法延续的问题,本质是在讨论“18个月”这一周期可能会延长。

  造成摩尔定律周期延长的主要因素是技术研发难度的加大。早在“八叛徒”初到仙童之时,集成电路诞生之初,芯片的生产主要依靠手工,确切地说,当时有不少芯片出自那些想赚点外快的家庭主妇之手。半个世纪过去,半导体工艺早已彻底告别了手工操作,工艺每前进一代的难度也越来越大,所需的资金投入也越来越大。事实上,半导体行业早已考虑过工艺的升级速度过快所带来的商业上的副作用了,半节点路线就是在理性应对客观事实和维持摩尔定律之间所作出的一种妥协。那么,摩尔定律如果继续“失效”——半导体工艺升级的速度继续放缓,会给半导体行业带来什么影响?

“八叛徒”在仙童

  整个市场中在售的芯片,虽然并非所有都采用最先进的工艺,采用最先进工艺的主要都是对性能有着高要求的芯片,但是,在采用先进工艺的芯片中,由消费市场所主导的部分无疑是最大、最具生命力的中心市场,消费市场对于半导体产业的影响力也仅次于政策措施(硅谷早期的快速发展主要仰赖美苏冷战下的军备竞赛和太空竞赛)。回顾过去十几年消费市场的历程,PC市场一路高歌猛进到饱和,最近几年智能手机、平板电脑的大爆发,抛给半导体行业的任务是:消费设备上的程序对计算性能的胃口越来越大,消费者对于更高性能消费设备的需求一直在快速增长。此外,值得注意的一个现状是,受消费主义的长期驱动,商家已经教会了消费者一套消费心理上的周期性意识:衣服穿一季就该换新的了(不管有没有破损),汽车开十年就该换新的了(不管是否报废),而电子产品,特别是手机,大概两年就该换新的了,因为已经不够时髦了。这样的市场环境给半导体公司带来丰厚的利润,也为研发新技术提供了相对充足的资金。

  但是,半导体厂商现在以及未来要遇到的技术难题并非是只要有足够研发资金就能轻松解决的。因此,在实用主义不太有市场的环境下,一旦半导体公司无法按市场所期望的节奏推出更高性能的芯片,市场的失望态度反馈给半导体公司的结果就是利润和利润率的下滑,这很有可能牵连整个半导体行业,爆发行业萧条的恐慌——在有资本参与的市场中,最宝贵的是信心,最可怕的是恐慌——恐慌将导致真正的萧条。

  所以,从大局看,半导体行业是不允许摩尔定律“死掉”的,因为资本市场无法承受恐慌,半导体行业只能容忍摩尔定律的节奏轻度放缓。又或者,如果能找到新的技术思路,例如新的器件结构、新的材料、新的架构、新的原理等,摩尔定律将涅槃重生。半导体公司在研发新技术的同时,必须警惕恐慌的产生,需要通过各种方法不断地刺激销售市场的需求,不断地给予资本市场足够的信心,才能维持自身的生产和发展。



经典物理的迷雾山即将在身后远去,但愿都灵日最后的余晖能够指引我们找到通往未来宝库的大门。

—— by the Moobbit


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