摩爾定律將死,晶片行業將掀起新一輪革命,誰將成為新時代領航者

在如今的的資訊時代，雖然我們無法看見，可是我們的生活已經無法離開晶片所產生的驅動力了。無論是炎炎夏日幫助我們清涼一夏的空調、還是我現在正用在打字的電腦、抑或是你正在瀏覽新聞的手機，都離不開晶片，如今隨著 5G 時代的到來，晶片是當代許多新興產業的基石，比如人工智慧、虛擬實境VR、大數據、物聯網、可穿戴設備等等。

而美國之所以維持著經濟霸主的地位，有很大程度則是來源於晶片的壟斷，比如在 AD 轉換晶片、CPLD/FPGA（複雜可編程邏輯器件與複雜可編程邏輯陣列）以及射頻晶片領域。

除此之外，還有晶片設計工具EDA（電子設計自動化）。在集成電路發展的早期，人工即可完成集成電路設計。但隨著科技的發展，要完成單位平方毫米內上億個門級電路的晶片的設計，則必須通過EDA輔助工具進行晶片設計。

目前國際上主要有三大集成電路EDA公司，分別是Synopsys，Cadence，Mentor Graphics。三家在EDA行業的市佔率幾乎形成壟斷，且均為美國公司。

EDA軟體

所以說美國在晶片領域的霸主地位鞏固了其全球經濟領導者的地位，而美國 50 年來的半導體（晶片就是半導體元件產品的統稱）行業的發展，則離不開摩爾定律的指引。

1958 年，來自德州儀器（不是山東德州哈）的傑克·基爾靈光一閃，能否利用單獨一片矽做出完整的電路，如此可把電路縮到極小。當時基爾比的想法遭到了所有同樣的笑話。幸好，德州儀器的老闆覺得基爾比的想法好像有實踐價值，就支持他的想法。

要知道在之前的電路還是分立元件構成，也就是在PCB（印刷電路板）把三極體、二極體焊接起來構成晶片，而基爾比卻嘗試在鍺半導體晶片上生成了三極體等多個元件，並在元件之間用細金屬連線連接，從而形成了集成電路。之前由分立元件構成的2500px印刷電路板，在集成電路上只需要1mm的晶片就可以實現相同的功能。

我們所說的集成電路指的是採用特定的製造工藝，把一個電路中所需的電晶體、電阻、電容和電感等元件及元件間的連線，集成製作在一小塊矽基半導體晶片上並封裝在一個腔殼內，成為具有所需功能的微型器件。

集成電路取代了電晶體，為開發電子產品的各種功能鋪平了道路，並且大幅度降低了成本，第三代電子器件從此登上舞臺。它的誕生，使微處理器的出現成為了可能，也使計算機變成普通人可以親近的日常工具。

可以說集成電路的誕生掀開了二十世紀信息革命的序幕。1961年仙童半導體公司推出了平面型集成電路。這種平面型製造工藝是在研磨得很平的矽片上，採用一種所謂「光刻」技術來形成半導體電路的元器件，如二極體、三極體、電阻和電容等。

只要「光刻」的精度不斷提高，元器件的密度也會相應提高，從而具有極大的發展潛力。因此平面工藝被認為是「整個半導體的工業鍵」，也是摩爾定律問世的技術基礎。

仙童半導體公司堪稱電子、電腦業界的「西點軍校」，AMD、英特爾等半導體領域大企業的創始人都是來自仙童。

仙童八人幫—矽谷大約70家半導體公司的半數，是仙童公司的直接或間接後裔

1965年4月19日，《電子學》雜誌第114頁發表了摩爾撰寫的文章《讓集成電路填滿更多的組件》，正式宣告了摩爾定律的誕生。

摩爾定律的定義歸納起來，主要有以下三種版本：

1、集成電路晶片上所集成的電路的數目，每隔18個月就翻一倍。

2、微處理器的性能每隔18個月提高一倍，或價格下降一半。

3、用一個美元所能買到的計算機性能，每隔18個月翻兩倍。

摩爾發現的摩爾定律並不是不基於任何特定的科學或工程理論，只是對真實情況的影射總結。但是矽晶片行業注意到了這個定律，也沒有簡單把它當作一個描述的、預言性質的觀察，而是作為一個說明性的，重要的規則，整個行業努力的目標。

人們還發現這不光適用於對存儲器晶片的描述，也精確地說明了處理機能力和磁碟驅動器存儲容量的發展。

摩爾定律的意思就是隨著電晶體特徵尺寸接近絕對極限，我們可以利用越來越小的晶片實現越來越多的功能。 處理器速度變得越來越快，我們可以在單片IC上放入更多特性和更多存儲器。

到了1974年，IBM工程師羅伯特·登納德對摩爾定律進行了補充：縮小晶片元件的尺寸能夠使晶片的速度更快、功耗更低、價格更便宜。換句話說：元件更小的晶片性能更好。

所以摩爾定律概括起來就是：半導體電路的電晶體的數量每18-24個月翻一倍。而電晶體的尺寸對計算機技術的提高來說非常重要。電晶體越小，單個晶片上可容納的電晶體數量就越多；晶片上的電晶體數量越多，處理器的速度越快、效率越高。同樣價格的電子產品性能，時隔18-24個月後就會翻倍。

而到了1975年，在一種新出現的電荷前荷器件存儲器晶片中，的確含有將近65000個元件，與1965年摩爾的預言一致，由此，摩爾定律被半導體行業當做了金科玉律，成為了資訊時代的驅動力。它變成了簡單評估半導體技術進展的經驗法則，其重要的意義在於長期而言，IC製程技術是以一直線的方式向前推展，使得IC產品能持續降低成本，提升性能，增加功能。

登納德對摩爾定律的補充也是半導體行業這幾十年一直努力從4004 晶片的 10 微米工藝生產 在邁向5nm、3nm或甚至2nm半導體製程技術之路,甚至美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LawrenceBerkeley National Laboratory）的一個研究團隊—已經成功研製出柵極（電晶體內的電流由柵極控制）僅長1納米的電晶體，號稱是有史以來最小的電晶體。

當然，1納米只是實驗室狀態，3納米如何投入商用對於半導體行業而言都依然存在著一定的困難，比如玻爾茲曼暴政是一個無法迴避的難題，按照該理論，越多的電晶體安裝在晶片上，就會產生巨大的熱量，超過一定界限，電晶體運行所產生的熱量就會直接燒毀晶片，而且漏電流也是一個大問題。

半導體行業一直在根據摩爾定律描繪的藍圖前行，在26年的時間裡，晶片上的電晶體數量增加了3200多倍，從1971年推出的第一款4004的2300個增加到奔騰II處理器的750萬個，從摩爾定律推算，從1971年到2016年，按照摩爾定律推算半導體行業發展大概經歷了22個周期。

而根據摩爾定律，谷歌前CEO提出了反摩爾定律：一個IT公司如果今天和18個月前賣掉同樣多的、同樣的產品，它的營業額就要降一半。這並不是對摩爾定律的反對，其實這兩種定律可以說是針對同一種現象的不同說法。

而在反摩爾定律的魔咒下，它逼著所有的硬體設備公司必須趕上摩爾定律所規定的更新速度，而所有的硬體和設備生產廠活得都是非常辛苦的。曾經引領風騷的太陽公司就是受反摩爾定律影響的著名例子，其由於無法跟上整個行業的速度，被IT生態鏈上遊的軟體公司甲骨文併購了。

但是這也促成科技領域質的高速進步，讓更多革命性的創造發明誕生，並為新興公司提供生存和發展的可能。正是有了摩爾定律和反摩爾定律，我們今天才能把智慧型手機才可以如此迷你、高效、便捷、智能，今天智慧型手機的性能比 1965-1995 年裡最大的電腦還要強勁。沒有摩爾定律就沒有超薄筆記本電腦，也不可能產生足以繪製整個基因組、或是設計複雜藥物的高性能計算機。流媒體視頻、社交媒體、搜索功能、雲——沒有摩爾定律，這些都不可能產生（或者說不可能這麼快產生可能更加準確）。

但是這幾十年來晶片製造商一直都在與摩爾定律苦苦鬥爭——不能做出更小的電晶體，生存就面臨威脅。

而隨著半導體行業的不斷發展，半導體行業也陷入了瓶頸。「摩爾定律」將死的呼聲不斷出現，因為研究和實驗室的成本需求十分高昂，而有財力投資在創建和維護晶片工廠的企業很少。而且製程也越來越接近半導體的物理極限，將會難以再縮小下去。簡單來說就是工藝難度太大，成本投入太高。

不同製程工藝的成本、核心面積進化路線

在今年，英偉達 CEO 黃仁勳在 CES 上再次強調「摩爾定律已經結束」一說，在過去幾年裡，他在多個場合都提出了這個觀點：

摩爾定律過去是每 5 年增長 10 倍，每 10 年增長 100 倍。而如今，摩爾定律每年只能增長几個百分點，每 10 年可能只有 2 倍。因此，摩爾定律結束了。

在他看來，信息技術對中央處理器（CPU）的依賴已轉向於圖形處理器（GPU）。要推動應用程式運行提速不可只依賴於晶片，而是需要重新設計整個堆棧、算法、軟體和處理器。

如果「摩爾定律」將死，而新的法則沒有出現，半導體行業的發展放緩將影響整個科技行業推進。華為任正非也提到了摩爾定律已經逼近極限：

隨著逐步逼近香農定理、摩爾定律的極限，而世界面對大信息流量、低時延的理論還未創造出來，華為已感到前途茫茫，找不到方向。華為已前進在迷航中。重大創新是無人區的生存法則，沒有理論突破，沒有技術突破，沒有大量的技術積累，是不可能產生爆發性創新的。

事實上，晶片業界已經接受了電晶體尺寸接近下限的現實，並已經為摩爾定律的終結做了準備。今年早些時候，美國半導體工業協會(Semiconductor Industry Association)——成員包括英特爾、AMD和Global Foundries——發表了一份報告。這份報告宣稱，到2021年，矽電晶體尺寸的縮小將不再是一件經濟可行的事情。取而代之的是，晶片將以另一種方式發生變化。

尤其隨著物聯網時代的到來，對於晶片的性能又會提出更高的要求，「摩爾定律」將死，而誰能夠提出新的法則，勢必將引領晶片行業新一輪的變革。

而這其中最重要的意義就是，可以成為下一個半導體時代的規則制定者，這 50 年來，半導體行業的發展都是在美國制定的標準框架之中，標準的引領也將讓他對整個半導體行業擁有絕對話語權、甚至從而影響全球經濟。即使並非美國企業，用了美國的專利技術標準，一樣要受制美國，比如 ARM。

如今變局以來，這將會是一個漫長的過程，需要驚人的毅力創新性的人才以及大力投入基礎教育基礎研究，而誰能把握住時代的風口，讓我們拭目以待！