关于摩尔定律那些事：失落效期近若何延续？

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

石丰瑜本次大会商到：“两百年前的人，跟二十万年前的人在生活上没什么变革。

但是，昔时夜家把两百年前的人类跟二十年前的人类比较，就会创造这个差距已经无法想象了。
很大一部分缘故原由是摩尔定律加速了人类的发展。

在石丰瑜看来，芯片制造商已经利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更加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困难。
但是，各行各业的专家人士都在努力延续摩尔定律。

末了，石丰瑜表示，“万物互联”后所有的东西都须要半导体，人类对美好生活的神往与需求会引发人类努力延续摩尔定律。

以下为石丰瑜演讲全文，雷锋网在不改变乐意的根本上做出了编辑：

（一）摩尔定律加速了人类发展

本日便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，也不清楚对比样错，我借鉴了一些Cadence的材料，跟大家一起来磋商一下。

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，可能用的工具种类轻微多了一点。

二十万年前的人类，跟两万年前的人比较，生活上有什么差别？两万年前的人开始画画了，开始敬拜，追思自己的先人。
两万年前的人类跟两千年前的人类比较呢？两千年前开始有农业、笔墨，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比较呢？两百年前开始有工业革命了。
再靠近几十年，电力也涌现了。

可是，昔时夜家把两百年前的人类跟二十年前的人类比较，就会创造这个差距已经无法想象了。

二十年前，实在还没有智好手机，连支付宝跟微信支付都用不了的时期。
但两年前呢？大家有没有以为，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，这个天下会变革什么样子？为什么？

我想通了一点，跟这位先生长西席（Gordon Moore）有关。
我读物理的时候，基本他便是神一样的存在。
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，基本必须是同一个本钱的条件之下，你能塞进去的晶体管该当是两倍，这便是所谓的“摩尔定律”。

读工程、学物理的人都知道，必须要有可不雅观察性，要有算式可算出来。
严格来讲，摩尔定律不是一个定律，是不雅观察往后的结果。
到后来，这个不雅观察往后的结果变成了预测，预测变成英特尔公司的企业义务。
又经由了二三十年，变成了半导体行业的义务，变成了我们每个人的义务，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，大概便是160亿根。
这个定律到底是18个月翻倍，还是24个月翻倍？这并不主要，主要的是它的量级反响在我们现在每天用的产品上。

以是过去这么多年，会有二十年、两年前这么快的发展，很大一部分都是由于摩尔定律。

（二）摩尔定律碰着了什么问题？

摩尔定律看起来很线性，实在根本不线性，它实在是指数曲线，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，或许会涌如今2045年，我们可以期待看看摩尔定律发展下去，到2045年的时候全天下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困难。

每一个节点依次上量的韶光点，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？实在是用光照决定的，目前大概便是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，逐步开始打破光照极限了，这是从其余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？这会减缓我们全体科技进步的脚步，以是大家才会担心。

为什么会越走越慢？我们也可以看看到底这几年来碰着了什么问题。

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办理。

接下来，会碰着物理上的问题。

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，也会碰着光刻机的问题，原来用的光刻机光源不足细，要改成193的，必须从半导系统编制程工艺里从铝改成铜，这对制造工艺来讲是非常大的寻衅。

大家看全体布局，由于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，透镜没办法办理，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，以是末了有一个浸没式的光刻出来。

做到了28nm，然后又碰着了问题，开始泄电，以是只能换材料。
原来用的是偏氧化硅的东西，中间的绝缘层要全部换掉，这种改换，代表了物理、制程上的寻衅，有各式各样的实验。

再往下走大家就知道了，2D办理不了泄电、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。
由于光源没有办理，以是从10nm、7nm开始，要用多层光照画线，原来画一条线就可以办理，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，刚好便是6nm，但制程本钱会非常高。

各类的物理问题，层出不穷地涌现，我们接下来还可以看到，有更多的问题要办理。
不过重点是，这些问题也算办理了。

中轴，是Cadence公司为理解决这个问题写的行数，从“0.35um”一贯到本日做到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，完备不输一台自驾车，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，每一个晶体管的本钱开始往上跳，本钱触底。

1965年到触底为止，每一根晶体管的价格在每一个时期都是往下掉的，以是说不须要花脑筋，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，本钱开始增加了，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，省的是什么本钱，如果把本钱所有东西包进去，你的本钱越来越高，到底能不能做？

就在20nm的时候，我也参加过行业很多谈论，大家以为半导体险些快走到终点了，尤其是硅，本钱增加后，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。
以是有人开始想5nm、3nm这些猖獗的技能，你要想办法连续曝光，想办法用更多新的布局，怎么可能会有人用？见告大家，本日在中国，设计16nmFinFET以上的企业靠近五十家，这仅仅是中国的数据而已。

可能很多人以为，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，你们赶紧其余找出路吧”。
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？便是由于刚才看到的这些物理的寻衅。
从做科研的角度来看，这些东西或许不可办理，或许办理后没有经济效益，以是赶紧看看别的材料，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年开始半导体全天下的产值；到1980年代，半导体是为了做事To B市场，大型机、通信、交流机；90年代开始，To C涌现了，PC机涌现了，逐渐有一些量级涌现了，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本钱。

2016年后，To B跟To C同韶光都出来了，这时候有了云，大家想想数据中央须要多少半导体？一个4G/5G的基站，须要多少的半导体，这是过去大家无法想象的。

手机和终端带来了其余一波的增长，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。
本日如果你买一台DVD机，下一代你要买的时候，还是一台DVD机，基本你便是看电视、看电影，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，本钱要低落。

现在最大的不同在哪？手机并不但是一个娱乐的终端，云也好，5G也好，带来的附加代价，对全体经济和你个人的生产力来说，它变成了生财工具，以是代价从头到尾不应该成为问题，这便是半导表示在欣欣向荣，大家一片看好的缘故原由。

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，也不要跟全天下最聪明的人对赌。
现在最聪明的人想跳进去，延续摩尔定律的生命。
再今后，2030年后或许不是To B或To C了，“万物互联”，所有的东西都须要半导体，以是“人类对美好生活的神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，紧张靠光刻、新材料，或者是大家以为比较梦幻的构架。
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，这是不完备连续，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困难的状况下，基本是不应该存在的。
以是芯片设计厂商、EDA公司、晶圆厂必须紧密互助，想办法从互助的环节里萃取/压迫一些代价出来，想办法把摩尔定律再往前推进一、两代。
大家不要鄙视这些冗余和效率，跟一家公司互助，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，终极要做事于系统，我们有没有可能把它从系统拉进来，大家抱团做成one team，把误会全部肃清，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碰着各式各样的问题，这些问题都须要全天下最聪明的人办理，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连续往前延续。

接下来讲讲我们会碰着什么问题。
这不是摩尔定律本身带来的问题，而是摩尔定律带来的繁芜度、本钱定律带来的问题。
包括：制造周期越来越高，设计效率越来越长，犯一个缺点代价非常高昂的。

比如，送到晶圆厂生产就须要四五个月，回来创造有bug，修一修再送过去，又须要四五个月，一年韶光就过去了。
哪一个市场会等你一年？没有人会等你，由于本钱太高了。
还有找不到人的问题，培养一代半导体的专家和精良工程师须要很长的韶光，这个韶光也耗不起。
这些问题大家都很头疼，大家可以跟Cadence互助。

90年代我读书的时候，power讲的便是晶体管本身的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，也便是热的表现。

GPU里还有一个更悬乎的东西，便是有一个新的power涌现，叫Glitch power，7nm占20%，5nm占30%，这个不能不管，假设有6根旗子暗记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，以是会耗电，这个耗电能达到20%-30%，无法想象，这个不要自己办理，要让工具办理，别相信你公司老师傅的话，他办理不了的。

这个办理办法，并不是说末了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涌现，要立时改动。
RTU怎么可能立时看到power？我们正在做这个努力，这不是一个工具的问题，是一串工具作出的办理方案，让客户现在能够算power，从RTU阶段算到末了。
算一秒没什么了不起，可是本日年一秒钟，可能就须要三天或一个星期，那这就不是办理方案。

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

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，全体流程从构架开始，到末了步骤，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？实在，未来是属于人工智能，你必须要用有聪慧的人，让它用更短的韶光做出来。

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，如果一个人花三个星期就能设计好，末了的结果是一样的，芯片没有特殊好，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寻衅和机遇。

末了一个例子，做regression。
大家做仿真的时候，末了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剖析，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，末了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，你可以省却一半以上的韶光。

3D-IC，大家该当知道，我这里就不赘述了，我紧张再讲一下它的神奇之处。

3D-IC便是把原来巨大范围的芯片切两块，比如仿照留着，数据切下来，用14nm去做仿照，最主要的数字用7nm，这是一样平常的做法，分成两块。

最近由于客户的需求，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，仿照多撑了几个时期，用3nm去做，便是在摧残浪费蹂躏自己的钱。

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，更主要的是它的性能可以更好。
它跟打算单元刚好叠在一起，间隔比原来更短，达到的效能完备不一样，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是现在全天下唯一一家有数据工具、仿照工具、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相互调工具，希望你在还不须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、多有出息。
本日韶光有限，希望大家跟我们保持联结。