首页 / 雷锋网 / 正文

关于摩尔定律那些事:失效在即,如何延续?

雷锋网 2021-11-05 21:00:07

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,雷锋网(公众号:雷锋网)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。

时讯快报

5.5亿用户的选择

立即打开