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摩爾定律的終點(diǎn)何時(shí)到來?中國芯片如何突圍?

璟琰乀 ? 來源:IT時(shí)報(bào) ? 作者:IT時(shí)報(bào) ? 2020-11-06 10:10 ? 次閱讀

來源:《IT時(shí)報(bào)》公眾號(hào)vittimes

30秒快讀

1摩爾定律的終點(diǎn)何時(shí)到來?也許是2025年。21納米會(huì)是摩爾定律的終點(diǎn)嗎?也許會(huì)。除非新工藝和新材料出現(xiàn)突破。3“后摩爾時(shí)代”,中國芯片如何突圍?

在不久前召開的IC CHINA 2020(中國國際半導(dǎo)體博覽會(huì))上,中國工程院院士、浙江大學(xué)微納電子學(xué)院院長吳漢明預(yù)測,“隨著工藝節(jié)點(diǎn)演進(jìn),摩爾定律越來越難以持續(xù),預(yù)計(jì)將走到2025年。”

半導(dǎo)體企業(yè)的制程工藝正向這個(gè)終點(diǎn)進(jìn)發(fā)。最新消息是,臺(tái)積電將在2022年量產(chǎn)3納米工藝芯片,2024年推行2納米工藝。

1納米會(huì)是摩爾定律的終點(diǎn)嗎?現(xiàn)有制程工藝下,也許會(huì)。除非新工藝和新材料出現(xiàn)突破。臺(tái)積電曾樂觀預(yù)測,在此前提下,或許到2050年,制程工藝可以達(dá)到0.1納米。

但無論如何,那將是一個(gè)少數(shù)人的游戲,而基于眾所周知的原因,中國在這個(gè)游戲中暫時(shí)落后。“后摩爾時(shí)代”,中國芯片的機(jī)會(huì)在哪里?

01

不可承受的“AI之重”

“產(chǎn)業(yè)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)是算力,根據(jù)OpenAI預(yù)估,AI算力約每3.4個(gè)月翻倍,但算力需求增長速率是10倍/年增長,就算摩爾定律不放緩,都難以滿足日益增速的算力需求。”IC CHINA2020上,上海燧原科技有限公司創(chuàng)始人兼CEO趙立東如是說。

AI算力雖然從2012年開始大約每3.4個(gè)月翻一倍,但依然低于算力需求的增速,圖源:OpenAI

摩爾定律認(rèn)為,一塊芯片中可容納的晶體管數(shù)量每隔18至24個(gè)月就會(huì)增加一倍,性能也將提升一倍。自1965年摩爾提出此觀點(diǎn)后,芯片性能的提升基本以每5年增長10倍,每10年增長100倍的速度前進(jìn)。

但是,制程工藝從22nm進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”,摩爾定律開始放緩,英偉達(dá)創(chuàng)始人黃仁勛甚至在CES2019上表示,摩爾定律每年只能增長幾個(gè)百分點(diǎn),芯片性能的增速已降至每10年可能只有2倍。

不同工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)的芯片設(shè)計(jì)成本水漲船高。據(jù)調(diào)查機(jī)構(gòu)IBS估算,16納米制程開發(fā)費(fèi)用達(dá)1億美元,10納米為 1.74億美元,目前主流7納米要沖上3億美元,5納米要價(jià)約4.36億美元,3納米更飆到6.5億美元。

芯片不同工藝節(jié)點(diǎn)開發(fā)成本,圖源:IBS美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)總裁兼首席執(zhí)行官John Neuffer透露,美國半導(dǎo)體公司每年大約將五分之一的收入用于應(yīng)對芯片設(shè)計(jì)成本上升的挑戰(zhàn)。

制程工藝同樣面臨挑戰(zhàn),吳漢明表示,我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展艱難,尤其是芯片制造工藝存在三大挑戰(zhàn):光刻是基礎(chǔ)挑戰(zhàn)、新材料&工藝是核心挑戰(zhàn)、提升良率是終級挑戰(zhàn)。

02

20納米以上還有很大空間

算力和摩爾定律的矛盾顯而易見,但現(xiàn)狀是,先進(jìn)制程工藝基本被臺(tái)積電、三星壟斷,加上今年以來復(fù)雜的國際關(guān)系,僅僅依靠工藝升級已經(jīng)不能滿足算力的需求。

但對中國企業(yè)而言,未嘗不是件好事。吳漢明預(yù)測,“新材料、新工藝將是未來成套工藝研發(fā)的主旋律,包括光刻技術(shù)、薄膜技術(shù)在內(nèi)的很多關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)行完整的工藝集成后,形成可以商用的成套工藝。

2019年全球 82%的晶圓代工產(chǎn)能都是 20nm以上節(jié)點(diǎn),20nm以下節(jié)點(diǎn)先進(jìn)產(chǎn)能僅占12%,這為企業(yè)留下了巨大的創(chuàng)新空間。”

事實(shí)上,晶體管密度更高的芯片,大多被用于手機(jī)制造,而隨著AI時(shí)代的到來,當(dāng)萬事萬物都需要增加一個(gè)“大腦”時(shí),大多數(shù)智能化產(chǎn)品不會(huì)像手機(jī)一樣,對單位面積內(nèi)的計(jì)算速度有不可替代的需求。

換句話說,很多AI芯片,可以在并不需要頂尖制程工藝的前提下,通過成套工藝的創(chuàng)新,達(dá)到和先進(jìn)制程工藝同樣的計(jì)算能力。

如果說臺(tái)積電和荷蘭ASML公司“鎖死”了中國通過制程工藝改良制造高端芯片的方向,那么中國芯片必須“另辟蹊徑”。

“全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)經(jīng)過三次轉(zhuǎn)移,而每次轉(zhuǎn)移都是因?yàn)樾枨蟀l(fā)生變化,從20世紀(jì)90年代開始,隨著PC和手機(jī)相繼普及,產(chǎn)業(yè)鏈從韓國、中國臺(tái)灣逐漸轉(zhuǎn)移至中國大陸,等到了智能物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,輕設(shè)計(jì)廠商將成為主流。”芯原股份董事長戴偉民表示。

數(shù)據(jù)顯示,中國已經(jīng)成為全球規(guī)模最大、增速最快的集成電路市場。John Neuffer透露,2019年,中國市場貢獻(xiàn)了美國半導(dǎo)體公司36%的收入,中國的PC、手機(jī)、電視、可穿戴設(shè)備的出口額在全球份額中均是第一位。

2016年統(tǒng)計(jì)的美國半導(dǎo)體行業(yè)的公司對中國市場的依賴性,圖源:Quartz

國內(nèi)邊緣計(jì)算芯片企業(yè)地平線創(chuàng)始人余凱認(rèn)為,未來自動(dòng)駕駛對于車載智能算力的需求是一種機(jī)遇,新的封裝技術(shù)、軟件硬件的高度協(xié)同、面向自動(dòng)駕駛人工智能所做的創(chuàng)新型架構(gòu)設(shè)計(jì)以及編譯器操作系統(tǒng),會(huì)使人工智能算力以指數(shù)級的“摩爾定律”向前發(fā)展,但這要求人工智能企業(yè)要有全新的思維設(shè)計(jì)芯片。

03

突破:Chiplet的嘗試

創(chuàng)新之路在哪里?新結(jié)構(gòu)、新材料、新集成設(shè)計(jì)創(chuàng)新,是業(yè)內(nèi)基本公認(rèn)的三條路,但設(shè)備和材料方面,日本崛起較早,如今是市場領(lǐng)頭羊,中國最有可能在設(shè)計(jì)領(lǐng)域有所突破。

戴偉民認(rèn)為Chiplet(芯粒)是一條可行之路。所謂Chiplet,是由Marvell創(chuàng)始人周秀文提出的MoChi(Modular Chip,模塊化芯片)架構(gòu),顧名思義,就是將不同工藝節(jié)點(diǎn)的die(裸片)通過異構(gòu)的方式混裝,這樣可以大大降低企業(yè)在先進(jìn)工藝制程方面的成本。

比如蘋果A13在16納米工藝下成本為4.98美元/10億晶體管,但在7納米工藝下成本只需2.65美元/10億晶體管。

但正如前文所言,高制程的芯片設(shè)計(jì)開發(fā)成本驚人,一般企業(yè)無法承受。

戴偉民認(rèn)為,Chiplet新形態(tài)是未來芯片重要趨勢之一。比如一塊芯片可以做到CPU用7nm工藝,I/0則用14nm工藝,這樣與完全由7nm打造的芯片比成本大約降低50%。

但Chiplet的問題在于,不同芯片間互連的功耗和性能如果沒有標(biāo)準(zhǔn),可能效果適得其反。

目前芯原提出IP即Chiplet,可以將ISP(圖像處理)、NPU(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器)、VPU(視頻處理器)、GPU(圖形處理器)等芯片形成基于不同工藝節(jié)點(diǎn)的Chiplet,并做到“即插即用”。

如此,對中國企業(yè)而言,Chiplet將大規(guī)模降低芯片設(shè)計(jì)的門檻;半導(dǎo)體IP授權(quán)商能升級為Chiplet供應(yīng)商,提升IP的價(jià)值且有效降低芯片客戶的設(shè)計(jì)成本。

更重要的是,Chiplet可以更好利用中國的封裝資源,盡管在先進(jìn)制程上被“卡脖子”,但中國的封裝工藝基本接近世界頂級水平。

“領(lǐng)頭羊”長電科技如今正在持續(xù)推進(jìn)Chiplet的量產(chǎn)和2.5D/3D的封測技術(shù)開發(fā),預(yù)計(jì)到2021年,可以實(shí)現(xiàn)2.5D封裝工藝,從而推動(dòng)Chiplet更快落地。

04

未來:減少試錯(cuò)成本

2019年,我國集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)7000多億元,同比增長15.8%。工業(yè)和信息化部電子信息司副司長楊旭東在IC China上表示,中國在全球市場份額中占比接近50%。

盡管近年來美國開始實(shí)行“脫鉤”政策,但中國芯片產(chǎn)業(yè)正在迅速崛起。數(shù)據(jù)顯示,今天中國已經(jīng)擁有世界17%的芯片產(chǎn)量。John Neuffer預(yù)計(jì),到20世紀(jì)末,這一比例將增加到28%,尤其是在無晶圓廠和OSAT(封測代工廠)領(lǐng)域,中國具有明顯優(yōu)勢。

但中國的劣勢也很明顯。2020年,美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)最新調(diào)研顯示,中美摩擦將改變?nèi)騃C產(chǎn)業(yè)格局,目前中國本土IC自給率只有14%,中國本土IC設(shè)計(jì)業(yè)的全球市占率為15%,整體IC產(chǎn)業(yè)全球市占率只有5%。相比之下,美國的各項(xiàng)占比均在50%以上。

據(jù)上海集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金管理有限公司總經(jīng)理陳剛介紹,從材料、裝備、制造/封測、設(shè)計(jì)四個(gè)環(huán)節(jié)來看,科創(chuàng)板對于光掩模、12寸拋光片等材料領(lǐng)域的企業(yè)尋求二級市場資本有了一定覆蓋,但在先進(jìn)工藝所需的高端材料和光刻機(jī)設(shè)備、拋光機(jī)方面,仍是空白,設(shè)計(jì)領(lǐng)域的EDA、CPU、FPGADRAM、NAND等領(lǐng)域也都存在空白。

在最為核心的半導(dǎo)體設(shè)備市場,中國與全球差距甚遠(yuǎn)。2019年,中國的半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化率為18.8%,但盛美半導(dǎo)體設(shè)備股份有限公司董事長王暉坦承,其中核心設(shè)備占比很小。

從各國研發(fā)經(jīng)費(fèi)分配來看,我國與世界先進(jìn)國家的差距仍然很大,尤其在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,大部分研發(fā)停留在試驗(yàn)階段,難以產(chǎn)生革命性的創(chuàng)新。

吳漢明指出,中國的集成電路研發(fā)經(jīng)費(fèi)的總額不比英美法日少,但比例嚴(yán)重失衡,只有5%經(jīng)費(fèi)投入基礎(chǔ)研發(fā),尤其是一些芯片制造企業(yè),試錯(cuò)成本占了整個(gè)研發(fā)經(jīng)費(fèi)的84%,“我們必須要有一個(gè)基礎(chǔ)引導(dǎo),使這種所謂試錯(cuò)式研發(fā)變成實(shí)驗(yàn)式研發(fā)。”

責(zé)任編輯:haq

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