摩爾定律還有下半場嗎？

• 2019 年 10 月 4 日
• 筆記

圖片來源：intel

經過近六十年的發展後，我們對摩爾定律的認知也許不該僅僅局限在技術層面。

策劃&撰寫：Lynn

近些年，關於摩爾定律是否有效的爭論一直沒有停止過。

過去幾年裡，黃仁勛在多個場合都明確表示「摩爾定律已經失效」，是他將這個事實攤開來擺在眾人的面前。爾後這幾年裡，隨著半導體產業發展變緩，業內已經對此沒有太多異議，就連摩爾定律提出者戈登·摩爾都表示認同，他在多年前就稱摩爾定律未來會失效。

原本這場爭論和疑惑應該隨著「這份共識」消散，但最近還是有人跳出來提出反對，這個人就是台積電全球營銷主管Godfrey Cheng。此後在Hot chips活動上，加入台積電的斯坦福著名教授Philip Wong也公開闡述了同樣的觀點。作為台積電的高層，他們的身份和言論無法令人忽視，也因此一場熱議再次被掀起：摩爾定律到底有沒有失效？

摩爾定律、技術與經濟

說起摩爾定律，它最初是由Intel創始人之一戈登·摩爾提出的，依據維基百科，其內容為：積體電路上可容納的電晶體數目，約每隔兩年便會增加一倍。後來在不斷引用中，「兩年」經常會被參照為「18個月」，後者由Intel研發總監David House提出。

因此隨著產業的發展，幾經修正後，摩爾定律演進為今天大眾熟知的說法：IC上可容納的電晶體數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

圖片來源：華爾街新聞

顯而易見，摩爾定律是一個直白的技術發展走勢預測，而在過去幾十年里，每一次晶片工程師設計出性能加倍的晶片之時，它總會被他們反覆提起。久而久之，因反覆被驗證，摩爾定律被業內奉為「黃金定律」。

如摩爾定律所預期，隨著製造、封裝製程等相關技術的進步，單顆晶片上可容納的電晶體數目確實一直在成倍增長。而它帶來的市場反應就是大小、價格不變的情況下，筆記型電腦、手機等電子產品的性能每年也都在提升。

歷經了半個多世紀的發展，半導體產業所帶來的影響逐漸滲透到生活中的方方面面，為資訊技術革命提供了硬體支援。而在社會層面，由科技帶來的生產效率提升、社會改革和經濟增長也確實十分明顯，這讓摩爾定律的經濟學內涵更為濃厚。後來人們對它進行歸納，衍生出以下三種"版本"：

1、積體電路晶片上所集成的電路數目，每隔18個月就翻一番。 2、微處理器的性能每隔18個月提高一倍，價格下降一倍。 3、用一美元所能買到的電腦性能，每隔18個月翻兩番。

可以說，在過去相當長的時間裡，這三條說法均是對半導體技術和產業發展的正確表述。

通過這樣的表述，我們不難發現後來人們對摩爾定律的理解更離不開價格這一因素，其描述的「價格」與「性能」之間的反比關係也明確傳達了一個訊號：摩爾定律與經濟發展有更為緊密的關聯。

2015年，值摩爾定律50周年，經濟學家Timothy Taylor專門寫了一篇名為「Moore Law at 50」的博文來闡述自己對摩爾定律的思考。在文中，他這樣去概述社會經濟與科技的關係：「許多科技變化，比如智慧手機、測基因的醫療影像技術或納米技術的進步，都是建立在電腦的高容量大算力基礎之上。資訊技術成為推動社會財富增長的關鍵動力之一，因為有了技術，我們可以用一種全新的方式來管理風險和收益，這在過去是根本不敢想像的，同時技術發展也讓全球化和外包經濟發展空前。」

而上述的這一切，Timothy Taylor認為本質上的驅動力可以說源於「摩爾定律」，即單顆晶片上不斷增長的電晶體數目帶來的性能提升，是它讓資訊技術成本降低的同時計算、存儲和傳輸能力在不斷提高，從而為社會經濟帶來了巨大貢獻。

如Timothy Taylor所言，發展至今，摩爾定律已經不僅僅是一項描述技術走勢的定律。在2018年的一次半導體大會上，談到摩爾定律，Intel中國研究院院長宋繼強也強調說，發展至今，其實我們更應該將它看作是描述半導體產業技術與經濟發展關係的一項預測。

Intel之後，台積電挑起「摩爾定律」重擔

在經濟學理論中，生產率的提升成為促進經濟體量增長的主要因素。從這個角度去看，在過去幾十年，因CPU等固定模組長期佔據市場，設計成本在一個長期穩定的狀態中，製造就佔據了晶片成本的多數份額，這導致了半導體產業製造水平直接對晶片性能、價格產生影響，從而對資訊技術的進步和生產率的增長產生影響。而提到半導體製造，近六十年來，它被認為是延續摩爾定律的關鍵點所在。

因此回過頭去看，半導體製造領域赫赫有名的那些廠商們——早年的IBM、Intel和現在頂住整個產業製造壓力的台積電，都成為了過去經濟增長的關鍵推動者。

作為曾經的科技霸主，IBM首先開啟了先進半導體製造技術時代，尤其是在nm級製程製程上。1989年，它搭建了全球第一個200nm生產線，同時在3D封裝製程、銅互連技術、化學機械拋光、電腦化光刻等多項半導體製造技術引領產業走勢，也為後來的半導體製造產業奠定了基調。

與此同時，AMD、Intel均在半導體製造市場中持續投入和布局，競爭可以說十分激烈，而正因為緊張的局勢，半導體製造產業飛速發展，產品技術發展按照摩爾定律預設的方向穩步向前。

後來，因技術方向錯誤，在製程上，IBM被Intel的22nm FinFET製程一舉擊敗。在眾人一籌莫展之時，Intel成功延續了摩爾定律的生命，也因此很快就拿下了IBM原有的製造市場，成為nm製程製程的接棒者。當時風光無限，Intel引來眾多追隨者，台積電就是其中一名。但隨著產業發展，14nm、10nm……電晶體越做越小，Intel也未曾料到，有一天會在7nm上栽跟頭。

在近代製程的發展歷史上，7nm絕對是最受關注的製程水平之一，很多在10nm製程上大放異彩的半導體公司都在7nm上吃了苦頭，Intel也不例外。也因此，台積電借勢一舉打下了大半市場，完成了自己從追隨者到引領者的身份蛻變，樹立了自己的地位，拿下了高通、華為等多家主流手機公司的大單。

值得一提的是，在台積電打敗Intel之時，伴隨而來的不僅僅是製程技術的進步，以台積電為代表的水平分工模式的壯大同樣不可忽視。有業內人分析指出，在IDM時代之後，伴隨著IBM、Intel相繼退居幕後，水平分工模式可以看做是半導體產業經濟中最偉大的創新之一，也正是藉此，台灣半導體產業走到了舞台中央，台灣經濟因此騰飛。

製造先行，摩爾定律在後

發展至今，我們發現，其實半導體製造領域一直在以一個穩定的節奏向前推動。從早期的先進位程到現在的先進封裝、電晶體革新，從早年的IDM時代到如今的水平分工模式，無論是技術層面的發展還是製造分工的創新，製造產業一直在不斷革新和發展。

現在，作為代工企業里的中流砥柱，台積電也是一直在推進對新技術、新製程的探索，不久前，它站出來發聲，目的也是給出產業幾個可行的降低成本的技術方向：

1. 深入設計技術協同優化向系統技術協同優化的轉變，採用新的系統集成方式，如用interposer的方式將多模組集成在一起，如Chiplet； 2. 用基於矽片的先進封裝技術將計算和存儲更為緊密集成，以提升晶片系統； 3. 新的底層材料，比如碳納米管；

可以看出，這幾個技術方向絕非空穴來風。今年年中，用Chiplet This，台積電已經向業內展示了其系統封裝技術的先進性，而史上最大單晶圓晶片Cerebras Wafer Scale Engine的背後，無疑是台積電在矽片封裝上的技術能力在支撐，而最近刊登在nature雜誌上的最新碳納米管處理器，其也讓基於第三代材料的晶片商用向前邁了一大步，而這些都將為延續摩爾定律提供動力。

但即便如此，這幾大技術方向是否能夠給產業帶來真正的動力尚不可知，並且從發展歷程來看，真正適應市場的技術一定會引爆市場，而現在整個產業的「平靜」多少讓人擔心：先進位造將無法延續摩爾定律。

從有序走向無序，「失效」背後的技術變革

回顧摩爾定律，它之所以如此重要，是因為自提出以來，經過幾十年的驗證，摩爾定律對於產業發展規律的描述有其正確性。

但是隨著應用需求和技術走勢的變化，晶片產品模式也發生了翻天覆地的變化，設計在晶片中的成本佔比也越來越高，加之通用性CPU不再適用於上層需求，性能和價格的發展走勢已經無法繼續維持常數的比例關係。

因此業內人普遍認為摩爾定律失效。

黃仁勛是代表之一，他認為資訊技術發展對CPU的依賴已經弱化了許多，新的晶片產品比如說GPU承擔了更多計算任務，因此再也不像摩爾定律所言，電晶體數目決定了性能、算力的發展，未來計算能力將會與系統架構、軟體生態等更多因素有關。

圖片來源：NVIDIA 官網

不難理解，黃仁勛的出發點就是技術，即電晶體與算力之間的正比關係，從這個角度去看，摩爾定律所預言的確實不復存在了。因為在近十年來，為了追求使用體驗並迎合深度學習演算法需求，市場都極其願意為價格高昂、塊頭極大的GPU買單，而這顯然已經偏離了摩爾定律的預期。

不過有意思的是，業內有人分析發現，從長期的價格走勢來看，近十年GPU性能在不斷走高，價格其實在走低，頗有「摩爾定律」的意味，而這裡面，GPU產品走勢的主要影響因素是製造製程的提升。

但是回到整個產業去看，半導體技術的發展確實已經不再如摩爾定律所預言的一般。

由此不難得出兩點：1.摩爾定律所說的電晶體數目與性能之間的關係已經不再適用半導體產業的整體發展走勢；2.因為需求和技術的變革，現在的半導體製造已經不再是影響半導體產業按照摩爾定律發展的關鍵因素。

摩爾定律真的完全失效了嗎？

但是，摩爾定律背後所闡述的技術與經濟發展關係也因此失效了嗎？

很難說。因為正如任何一條被反覆驗證的定律一般，歷經了半導體產業六十年的發展，摩爾定律勢必也將隨之發展，甚至被不斷修正，因此依然有很多人對新的產業定律抱有期待。

現在，因為摩爾定律的失效，異構計算、AI晶片等均興起，算力、性能依然在不斷提升，但是同樣，底層晶片的成本確實也在提升。不過相較於以往只賣CPU等硬體模組的商業模式，系統集成是現在的主流，在NVIDIA 之後，賣服務和平台也成為現在晶片公司再平常不過的銷售方式。

如果摩爾定律失效，它意味著半導體產業走向了一個發展的瓶頸期，或者說一個穩定發展階段的終結。但不僅僅如此，如Timothy Taylor所分析，半導體推動經濟發展的這股驅動力將會削弱，經濟增長會受到一定程度的影響。

但是摩爾定律已經不僅僅是一項技術定律，異構計算等新興技術引起的商業模式變化，乃至分工模式的變化，最終和整個社會經濟再次融為一體，形成一個長期穩定的局面，這確實是可期的。

最後，摩爾定律的背後故事

摩爾定律第一次正式被公眾知悉，是戈登·摩爾在供職仙童半導體期間，他於1965年4月19日在《Electronics Magazine》上刊登的一篇《讓積體電路填滿更多的組件》中提到了它，當時他是根據器件的複雜性（電路密度提高而價格降低）和時間之間的線性關係作出這一判斷的，他的原話是這樣的：「最低元件價格下的理雜性每年大約增加一倍。可以確信，短期內這一增長率會繼續保持。即便不是有所加快的話。而在更長時期內的增長率應是略有波動，儘管沒有充分的理由來證明，這一增長率至少在未來十年內幾乎維持為一個常數。」這就是後來被人稱為「摩爾定律」的最初原型。

圖 | 戈登·摩爾

1975年，摩爾在國際電信聯盟IEEE的學術年會上提交了一篇論文，根據當時的實際情況，對"密度每年回一番"的增長率進行了重新審定和修正。自那以後，摩爾定律就成為今天我們所見到的形態。

不過後來在1997年，摩爾本人在接受採訪時表示，他當年是把"每年翻一番"改為"每兩年翻一番"，並聲明他從來沒有說過"每18個月翻一番"，即現在所流傳的18個翻一番並非出自他之口。

「修正」後，這項以摩爾命名的定律就這樣流傳了下來，並在反覆驗證下收穫了業內人的關注和認可。未來，很有可能，它將會再次被修正甚至以另一種形態出現