关于摩尔定律那些事：失效在即，如何延续？

摩尔定律到底有没有失效？摩尔定律遇到了哪些问题？

昨日，在“2021全球高科技领袖论坛 - 全球CEO峰会&全球分销与供应链领袖峰会”上，Cadence公司全球副总裁石丰瑜就以上问题做了一些思考和分享。

石丰瑜本次大会谈到：“两百年前的人，跟二十万年前的人在生活上没什么变化。但是，当大家把两百年前的人类跟二十年前的人类相比，就会发现这个差距已经无法想象了。很大一部分原因是摩尔定律加速了人类的发展。

在石丰瑜看来，芯片制造商已经使用了各种手段来跟上摩尔定律的步伐，但还是无法避免摩尔定律的加倍效应已经开始放缓的事实，不断地缩小芯片的尺寸总会有物理极限。诚然，有一些真真实实的数据，证明摩尔定律发展的脚步越来越艰难。但是，各行各业的专家人士都在努力延续摩尔定律。

最后，石丰瑜表示，“万物互联”后所有的东西都需要半导体，人类对美好生活的向往与需求会激发人类努力延续摩尔定律。

以下为石丰瑜演讲全文，cc博客网(公众号：cc博客网)在不改变愿意的基础上做出了编辑：

（一）摩尔定律加速了人类发展

今天就是要把我近期思考的一些的内容跟大家做个报告分享，在半导体行业28年，忽然间看清楚了一些事情，也不清楚对还是错，我借鉴了一些Cadence的材料，跟大家一起来探讨一下。

我在想什么？想人生，想人类。

两百年前的人，跟二十万年前的人生活上有什么差别？说实话，没啥差别，可能用的工具种类稍微多了一点。

二十万年前的人类，跟两万年前的人相比，生活上有什么差别？两万年前的人开始画画了，开始祭祀，追思自己的祖先。两万年前的人类跟两千年前的人类相比呢？两千年前开始有农业、文字，开始有一些艺术上更精美的创作。两千年前跟两百年前的人类相比呢？两百年前开始有工业革命了。再靠近几十年，电力也出现了。

可是，当大家把两百年前的人类跟二十年前的人类相比，就会发现这个差距已经无法想象了。

二十年前，其实还没有智能手机，连支付宝跟微信支付都用不了的时代。但两年前呢？大家有没有觉得，两百万年前、二十万年前、两百万年前、二十年前、两年前，以及未来，这个世界会变化什么样子？为什么？

我想通了一点，跟这位老先生（Gordon Moore）有关。我读物理的时候，基本他就是神一样的存在。1965年时他说到集成电路的发展，当时隔一阵子会讲“每两年”，我折中取了18个月。每18个月到每两年，在同一片芯片上，基本必须是同一个成本的条件之下，你能塞进去的晶体管应该是两倍，这就是所谓的“摩尔定律”。

读工程、学物理的人都知道，必须要有可观察性，要有算式可算出来。严格来讲，摩尔定律不是一个定律，是观察以后的结果。到后来，这个观察以后的结果变成了预测，预测变成英特尔公司的企业使命。又经过了二三十年，变成了半导体行业的使命，变成了我们每个人的使命，每个人都在谈摩尔定律。

用1965年到2016年（刚好是整数）相除，芯片增长了170亿倍，这个根本就无法想象，但苹果公司的M1 CPU塞进去的晶体管数量，大概就是160亿根。这个定律到底是18个月翻倍，还是24个月翻倍？这并不重要，重要的是它的量级反映在我们现在每天用的产品上。

所以过去这么多年，会有二十年、两年前这么快的发展，很大一部分都是因为摩尔定律。

（二）摩尔定律遇到了什么问题？

摩尔定律看起来很线性，其实根本不线性，它其实是指数曲线，它现在正在提速，往垂直的方向走。最近有很多人开玩笑，走上去的G点在哪？很多人说，或许会出现在2045年，我们可以期待看看摩尔定律发展下去，到2045年的时候全世界的生活会变成什么样。

几年前开始，大家看报纸和杂志都会看到，很多人都在提，摩尔定律是不是走不下去了？是不是要撞到墙了？是不是大家开始没办法跟上它的脚步了？

诚然，有一些真真实实的数据，证明这个脚步越来越艰难。

每一个节点依次上量的时间点，原来每两年有一个节点，到14nm开始已经拖慢了，10nm、7nm拖得更慢了。一个芯片的大小，做一个芯片到底能做多大？其实是用光照决定的，目前大概就是3.3公分×3.3公分的芯片。图上的红点，是server级的芯片大小，那个年代做出领先市场的CPU或GPU，大小都离光照机器人很远。但是2016年开始到2017年、2018年，慢慢开始突破光照极限了，这是从另外一个角度来看摩尔定律是不是产生了问题，对我们的生活是不是带来了影响，这是否表示，我们无法作出效能更高、算力更强的芯片？这会减缓我们整个科技进步的脚步，所以大家才会担心。

为什么会越走越慢？我们也可以看看到底这几年来遇到了什么问题。

从1965年到 0.35um、0.25um、0.18um，没有什么问题，绝大多数是工程上的问题，工程上的问题努努力就能解决。

接下来，会遇到物理上的问题。

首先，通互联。芯片越做越小，塞的晶体管越来越多，用铝布线，很快就会产生电子迁移的问题，动力变短，芯片用不了几年会坏掉，也会遇到光刻机的问题，原来用的光刻机光源不够细，要改成193的，必须从半导体制程工艺里从铝改成铜，这对制造工艺来讲是非常大的挑战。

大家看整个构造，因为有一些透镜和光学系统，要细一点，193nm的光源，极限大概是45nm，就没办法再微缩下去了。这时候就有更聪明的人在想，透镜没办法解决，能不能在透镜和微片之间加一滴水，水能够折射，把它从45nm往下微缩一些，所以最后有一个浸没式的光刻出来。

做到了28nm，然后又遇到了问题，开始漏电，所以只能换材料。原来用的是偏氧化硅的东西，中间的绝缘层要全部换掉，这种更换，代表了物理、制程上的挑战，有各式各样的实验。

再往下走大家就知道了，2D解决不了漏电、质量的问题，但是有FinFET出来，本身晶体管的构架变成了3D，就像长了一个翅膀一样。因为光源没有解决，所以从10nm、7nm开始，要用多层光照画线，原来画一条线就可以解决，现在光本身就比线要粗，怎么办？左边曝一次光，右边曝一次光，中间留下的细缝，刚好就是6nm，但制程成本会非常高。

种种的物理问题，层出不穷地出现，我们接下来还可以看到，有更多的问题要解决。不过重点是，这些问题也算解决了。

中轴，是Cadence公司为了解决这个问题写的行数，从“0.35um”一直到今天做到10nm、7nm的时候，原来几十万行、几百万行的程序，大概已经到了几千万行，完全不输一台自驾车，很难超过一台自驾车。

同样带来的问题，无论从制程上来看，还是从EDA编程角度来看，每一个晶体管的成本开始往上跳，成本触底。

1965年到触底为止，每一根晶体管的价格在每一个时代都是往下掉的，所以说不需要花脑筋，就可以往下一个制程工艺走，除非你用不了这个工艺，只要你的量不会差太多，就可以省钱，这是半导体过去几十年来发展的真正定律。

可是到了20nm、16nm后，成本开始增加了，大部分做生意的人开始问自己，到底要不要用下一代制程，用了有什么好处，省的是什么成本，如果把成本所有东西包进去，你的成本越来越高，到底能不能做？

就在20nm的时候，我也参加过行业很多讨论，大家觉得半导体几乎快走到终点了，尤其是硅，成本增加后，还有几家公司会用这个制程工艺？

16nm的时候，几家做手机的基本不做了，但是10nm的时候，还有人走下去。所以有人开始想5nm、3nm这些疯狂的技术，你要想办法继续曝光，想办法用更多新的构造，怎么可能会有人用？告诉大家，今天在中国，设计16nmFinFET以上的企业接近五十家，这仅仅是中国的数据而已。

可能很多人觉得，好日子是不是要结束了？没有不散的宴席。

1990年我在美国读书，教授是一个牛人，有一次他上课的时候跟我们讲：“孩子们，硅看起来没戏了，你们赶快另外找出路吧”。我还好没听他的话，如果听了他的话，估计现在悔得肠子得青了。

为什么他会这么说？就是因为刚才看到的这些物理的挑战。从做科研的角度来看，这些东西或许不可解决，或许解决后没有经济效益，所以赶快看看别的材料，找软件。三十年前，我还只是一个小伙子，现在变成了中年人了，摩尔定律依然还健在。

这是1955年开始半导体全世界的产值；到1980年代，半导体是为了服务To B市场，大型机、通信、交换机；90年代开始，To C出现了，PC机出现了，逐渐有一些量级出现了，跟过去的大型机的量级不一样，一旦有了数量，你就有办法摊提掉非常高的研发成本。

2016年后，To B跟To C同时间都出来了，这时候有了云，大家想想数据中心需要多少半导体？一个4G/5G的基站，需要多少的半导体，这是过去大家无法想象的。

手机和终端带来了另外一波的增长，我们现在正在享受这一波的增长。这些增长跟我刚刚讲的经济效益有什么差别？它代表的不是只有一个量级。今天如果你买一台DVD机，下一代你要买的时候，还是一台DVD机，基本你就是看电视、看片子，它变贵了，你肯定不买。你要多付钱的时候，就必须通过摩尔定律往前推进，成本要下降。

现在最大的不同在哪？手机并不只是一个娱乐的终端，云也好，5G也好，带来的附加价值，对整个经济和你个人的生产力来说，它变成了生财工具，所以价值从头到尾不应该成为问题，这就是半导体现在欣欣向荣，大家一片看好的原因。

所有的预测现在来看，2020年到2030年，半导体的产值很可能会从5000亿美金变成1亿美金，翻一番，变成一个非常巨大的行业。以我个人的行业来讲，不要跟1亿美金的行业对赌，也不要跟全世界最聪明的人对赌。现在最聪明的人想跳进去，延续摩尔定律的生命。再往后，2030年后或许不是To B或To C了，“万物互联”，所有的东西都需要半导体，所以“人类对美好生活的向往与需求会延续着摩尔定律”。

（三）如何延续摩尔定律

到目前为止我们要延续摩尔定律，主要靠光刻、新材料，或者是大家觉得比较梦幻的构架。一个晶圆厂设计出一套工艺，这些制程工艺用软件描述出来，这是不完全连续，也算连续的过程。最大的问题是，每一个人都留了一些冗余，这些冗余在摩尔定律这么艰难的状况下，基本是不应该存在的。所以芯片设计厂商、EDA公司、晶圆厂必须紧密合作，想办法从合作的环节里萃取/榨取一些价值出来，想办法把摩尔定律再往前推进一、两代。大家不要小看这些冗余和效率，跟一家公司合作，有可能会多延续半代或一代以上。

再下一步，就走到了系统。半导体也好，芯片也好，最终要服务于系统，我们有没有可能把它从系统拉进来，大家抱团做成one team，把误会全部消除，做成system-technology CO-OPTIMIZATION。

摩尔定律就说到这里，接下来我想说摩尔定律还会遇到各式各样的问题，这些问题都需要全世界最聪明的人解决，也要投入大量的金钱。不过从现在来看，未来五年、十年我们看到了一些亮光，如果大家的年纪跟我一样，我们大概可以干到退休。就算摩尔定律走不下去，还有一二十年的生命可以继续往前延续。

接下来讲讲我们会遇到什么问题。这不是摩尔定律本身带来的问题，而是摩尔定律带来的复杂度、成本定律带来的问题。包括：制造周期越来越高，设计效率越来越长，犯一个错误代价非常高昂的。

比如，送到晶圆厂生产就需要四五个月，回来发现有bug，修一修再送过去，又需要四五个月，一年时间就过去了。哪一个市场会等你一年？没有人会等你，因为成本太高了。还有找不到人的问题，培养一代半导体的专家和优秀工程师需要很长的时间，这个时间也耗不起。这些问题大家都很头疼，大家可以跟Cadence合作。

90年代我读书的时候，power讲的就是晶体管本身的power，其他的power都不是问题。现在的问题开始多了，internal的power占49%。switching（拉线）的power，你越做越细，越拉越长，阻抗越来越高，现在也占到49%，拉线拉得好不好，决定一颗芯片的功耗，也就是热的表现。

GPU里还有一个更悬乎的东西，就是有一个新的power出现，叫Glitch power，7nm占20%，5nm占30%，这个不能不管，假设有6根信号送到一个组合逻辑里，如果到的预期跟你想的不一样，先到的会跳动，所以会耗电，这个耗电能达到20%-30%，无法想象，这个不要自己解决，要让工具解决，别相信你公司老师傅的话，他解决不了的。

这个解决方式，并不是说最后芯片设计完之后才知道有这么多问题，写RTU的时候就要知道有这么多的问题出现，要马上修正。RTU怎么可能马上看到power？我们正在做这个努力，这不是一个工具的问题，是一串工具作出的解决方案，让客户现在能够算power，从RTU阶段算到最后。算一秒没什么了不起，可是今天算一秒钟，可能就需要三天或一个礼拜，那这就不是解决方案。

我们希望有一天，在很靠近的未来，就在这几个月内，我们就有一个解决方案，让你一秒钟可以在一个小时内跑完，这样你可以跑六十秒，可以看到整个power，尽早把你的构架进行修改。

包括人找不到的问题，那就多买点工具。一个人原来只用一套工具，你让一个人用三套工具怎么样？绝对用得过来，就看你的方法学、流程怎么定，看你怎么跟Cadence谈。

人工智能有很多种的方法，整个流程从构架开始，到最后步骤，切成二三十段，每一段都可以有两个选择（是非题），大家算算一共有多少。

以整套流程来算，客户会有8000多万的选择，用哪位工程师做最好的选择，设计出最小的芯片，功耗又最低？其实，未来是属于人工智能，你必须要用有智慧的人，让它用更短的时间做出来。

我常常问客户，用人工智能做什么？大部分的客户回答是“做得更小，做得更快”，我的答案还有一个，“想办法增加你的设计效率”。单个人花三个月才能设计出来的东西，如果一个人花三个礼拜就能设计好，最后的结果是一样的，芯片没有特别好，但你只要花九分之一的人力就能做好的话，你用不用？这是现在设计行业必须面临的挑战和机遇。

最后一个例子，做regression。大家做仿真的时候，最后一秒钟你的工程师跟你讲有小问题，要改一下，绝大部分跑的都是无聊、没用的工夫，都可以省略掉，但省略到哪里？你看不到。这时候如果有人工智能帮你分析，从你过去仿真的结果来看，跟你的改动无关，你可以跳过、省略，最后还可以做到一样的覆盖率，你为什么不敢试？欢迎大家跟Cadence试试看，你可以省掉一半以上的时间。

3D-IC，大家应该知道，我这里就不赘述了，我主要再讲一下它的神奇之处。

3D-IC就是把原来巨大范围的芯片切两块，比如模拟留着，数据切下来，用14nm去做模拟，最重要的数字用7nm，这是一般的做法，分成两块。

最近因为客户的需求，我们有了工具上的进步，可以做更好玩的东西。假设你现在做GPU，5nm就缩不下去了，模拟多撑了几个时代，用3nm去做，就是在浪费自己的钱。

有没有办法把一颗芯片里的抽出来，放到另一个芯片上？两个都变成了一半的大小，功耗可以变低，良品率变高，更重要的是它的性能可以更好。它跟计算单元刚好叠在一起，距离比原来更短，达到的效能完全不一样，这才是未来3D-IC真正想走的方向。

我们有一个新产品，Integrity，可以帮你全部整合在一块。

Cadence是现在全世界唯一一家有数据工具、模拟工具、PCB工具的EDA公司，两年前开始我们正式推出系统工具，你要算热、电池波都可以，目前在Cadence内部并没有整合完毕，可是我们搭了一个平台，让这些所有不同的工具，希望未来有同一个数据库/界面，你可以在同一个界面里互相调工具，希望你在还不需要流片之前就能找到问题，把芯片设计出来。

我现在充满了热血，跟大家分享未来半导体的发展有多光明、多有前途。今天时间有限，希望大家跟我们保持联络。