中国半导体超越摩尔定律

2021-04-14 14:04:38 75


今年3月初,基于先进存算一体技术的新型智能计算芯片企业“后摩智能”宣布完成数千万美元天使轮融资。公司创始人吴强博士表示:“人工智能算力是数字化经济基础设施的核心,而驱动集成电路产业发展的摩尔定律已逼近极限,芯片产业亟需突破传统冯诺依曼架构的‘后摩尔’解决方案。”对于吴强博士说的摩尔定律,部分微电子行业的人是了解的,但是这个“后摩尔”解决方案就有意思了。摩尔定律被说道了四五十年,难道真的不行了吗?再者,中国有打造“后摩尔”的能力了?本次,一起聊聊这个话题。


过去

我们真的在遵循摩尔定律吗


1957年,8位科学家在摄影器材公司老板谢尔曼·费尔柴尔德的支持下,成立仙童半导体公司。7年后,仙童其中一位创始人摩尔提出了著名的“摩尔定律”,沿用半个世纪:集成电路上能被集成的晶体管数目每18个月将翻一番。也就是说,处理器的性能每隔两年翻一倍,并在今后数十年内保持着这种势头。


(图:仙童公司的八位创始人)


之后,摩尔离开半导体“黄埔军校”仙童公司,与同伴诺伊斯创办了Intel公司。


说到摩尔定律,它并非自然科学定律,是在一定程度揭示了信息技术进步的速度。不过,在过去几十年的半导体发展中,这个定律具有非常高的准确性。


来看一组intel CPU的发展数据:

1999年,intel发布Pentium III(奔腾3)处理器。Pentium III是一种1×1平方硅,有950万个晶体管,采用Intel 250nm工艺技术制造。

2000年,intel发布Pentium Willamette(奔腾 威拉米特),生产工艺为180nm,cpu晶体管数量达到4200万。

2002年,intel推出Pentium IV(奔腾4)处理器,可以实现每秒22亿次循环操作。它使用英特尔的130nm工艺技术生产,包含5500万晶体管。

2003年,intel Centrino(迅驰移动计算技术)面世,以及Pentium M(奔腾 M)处理器。该处理器基于一种新的移动优化微体系结构,使用英特尔的130nm微米工艺技术生产,包含7700万个晶体管。

2005年,intel的第一个主流双核处理器Pentium D(奔腾D)处理器,诞生于使用英特尔领先的90nm工艺技术生产的2.3亿个晶体管。

2006年,intel Core 2双核处理器诞生。该处理器搭载了超过2.9亿个晶体管,采用英特尔65nm制程技术,在世界上几个最先进的实验室中生产。

4年后,2010年推出的Core i7 980X,制作工艺为32nm,晶体管数量为11.7亿个。


可以看到,到21世纪头十年,摩尔定律几乎预测准确,以致50年后其提出者戈登·摩尔在接受采访时也说道“这只是一个大胆推测。但后来这个推论不断驱动和主宰半导体行业的发展,我也就心安理得了。”


为什么摩尔定律要失效


某物被称做定律,实际是指科学上对某种客观规律的概括,反映事物在一定条件下发生一定变化过程的必然关系。那么反言之,定律就可能在其它条件下失效或者不准确。没有任何一种理论可以描述宇宙当中的所有情况,也没有任何一种理论可能完全正确。


摩尔定律在其本人提出之后,实际也进行了一次更新。在1975年的IEEE国际电子组件大会上,摩尔提交过一次修正:在未来十年,随着用来开发技术的机械越来越贵,“每年翻番法则”将减缓到每十八个月翻一番(编者注:这次更改也就形成了现在的通用说法18个月,最初是12月,即一年更新一次)

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(图:摩尔在1975将定律更新改为18-24个月)


21世纪头十年,这个规律开始受到挑战,从intel 在2007年提出的“Tick-Tock”模型(编者注:intel的一种开发周期。Tick-Tock 源于钟摆原理,是指时钟每秒钟发生的 “嘀嗒” 声。英特尔每两年进行一次处理器升级架构变动,遇到 Tick 年则改变处理器制造工艺,而走到 Tock 年则改变制造工艺下的架构。)到2016年的“PAO”模型(编者注:intel提出的一种开发周期。其包括三步战略,为制程工艺(PROCESS) – 架构更新(ARCHITECTURE) – 优化(OPTIMIZATION),首字母拼写为“PAO”),酷睿处理器并没有严格按照既定的路线升级制程工艺,甚至逐渐偏离了摩尔定律所定义的硅晶体管数量的周期性指数级增长。2015年,intel承认其10nm 制造工艺无法在当年年底前实现量产。


(图:调整后的摩尔定律)


然后,从2016年以来的酷睿工艺来看,CPU制程确实在放缓,仅“+”号后缀就使用了两次,也让intel被业界戏称为在“挤牙膏”。那究竟是什么阻碍了处理器制作工艺呢?


首先,高等化学指出,指数级增长会有尽头。lg2=0.3,这就意味着每十年晶体管数量要提高一百倍。i9 9900K约32亿个晶体管,再过七十年数目将超过CPU内的原子数。


原子是最小的粒子,晶体管通过化学方式印刷,无法超越原子。通过化学变化不可能将其印刷得比原子还小,这是制约硅(Si)晶体管增长的最根本原因。


再者,经济因素考虑来说,越来越严苛的制造工艺导致研发费用日益增长,每开发一代更先进的制程都会花费巨额的资金。就像之前消息intel豪掷200亿建设晶圆厂,花费确实巨大,一时成为头条新闻。


摩尔定律已经不仅仅是intel一个公司的理论,它影响到电子科技的发展。但是,与以Nvidia CEO黄仁勋为代表的厂商认为“摩尔定律已死”不同,AMD和ASML等仍然相信摩尔定律仍然生效。今年,ASML开发副总裁Tony Yen在接受《路透社》采访时,仍表达了对摩尔定律的认可,“许多人说摩尔定律失效或减速,但我认为没有,也没有减速。就ASML的看法,摩尔定律可能还会再延续10 年,甚至更长。且芯片面积微缩未来还可持续至少10年。”


(图:NVIDIA黄仁勋曾在GTC称“摩尔定律已终结”)


现在

中国也要推翻摩尔定律?


芯片行业如果一直按照摩尔定律推进的话,那么中国半导体将永远赶不上之前的选手,而摩尔定律的逐渐失效给了中国国产化半导体一个机遇。


在一些应用芯片领域,中国企业有了不小起色。比如华为海思麒麟已跻身手机芯片行业第一梯队,比如高德红外探测器芯片,在技术水平上已经超过欧洲,比肩美国企业。中国也成为全球五个掌握军用红外探测器核心技术的国家之一。


工艺方面,2月25日,清华大学工程物理系教授唐传祥研究组与德国团队在顶尖期刊《自然》(Nature)上发表了题为“稳态微聚束原理的实验演示” 的研究论文,报告了一种新型粒子加速器光源“稳态微聚束”(Steady-state microbunching,SSMB)的首个原理验证实验。目前,清华大学正积极支持和推动SSMB EUV光源在国家层面的立项工作。清华SSMB研究组已向国家发改委提交“稳态微聚束极紫外光源研究装置”的项目建议书,申报列为“十四五”国家重大科技基础设施。(消息来源:清华大学)


(图:清华大学官网)


中国半导体落后于欧洲和美国,如今只能迎头赶上,如“后摩智能”所说,还是要创造“后摩尔”解决方案。



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