摩爾定律真的終結(jié)？制造頂級芯片越來越貴，建廠成本遠超百億美元

3月8日消息，芯片制造行業(yè)的摩爾定律已經(jīng)快要觸及物理極限和經(jīng)濟極限。雖然芯片制造商還能繼續(xù)壓縮芯片上的晶體管尺寸，但制造最先進芯片的成本一直在增加，每個晶體管的生產(chǎn)成本已經(jīng)停止下降，現(xiàn)在正在開始上升。

在芯片技術(shù)發(fā)展的早期階段，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)曾在1965年作出假設(shè)，集成電路上的元件數(shù)量將每年翻一番，后來被修正為大約每兩年芯片上的晶體管數(shù)量會增加一倍。這就是現(xiàn)在眾所周知的摩爾定律。幾十年來，芯片行業(yè)一直在進步，制造出一度難以想象的設(shè)備，然后按著摩爾定律穩(wěn)步推進。

蘋果公司高端筆記本電腦所搭載的M1 Max芯片擁有570億個晶體管?？s小芯片尺寸方面的技術(shù)一直在穩(wěn)步發(fā)展，如今數(shù)萬個晶體管可以放置在一個比頭發(fā)絲還細的地方。晶體管體積更小，也讓芯片處理速度更快、價格更低廉，使計算能力和生產(chǎn)力得到指數(shù)級提升?，F(xiàn)在，用戶口袋里的智能手機處理性能比50多年前幫助人類登上月球的大型計算機還要好，而且成本只是后者的零頭。

多年來，很多人都曾預言摩爾定律行將終結(jié)，但芯片制造商不斷突破技術(shù)極限，找到儲存更多計算能力的新方法。最新的極紫外(EUV)光刻技術(shù)使用波長更短的光在晶圓上蝕刻超細圖案。荷蘭公司ASML是唯一一家為芯片制造商生產(chǎn)EUV設(shè)備的公司。每臺設(shè)備的成本約為1.5億美元。但在全球芯片制造商爭相增加產(chǎn)能之際，公司積壓了大量設(shè)備訂單。

隨著晶體管尺寸接近原子水平，芯片制造似乎不可避免地將達到某些物理極限。如今，晶體管之間的距離以幾十納米為單位，而一納米大約只有5個硅原子的寬度。

在物理學定律最終終結(jié)摩爾定律之前，經(jīng)濟學定律可能也會終結(jié)摩爾定律。制造最先進芯片的成本一直在增加，隨著技術(shù)的每一次迭代而變得越來越昂貴。

“摩爾定律從技術(shù)上講或許還能繼續(xù)，但從經(jīng)濟角度講，這是行不通的，”半導體行業(yè)分析師道格拉斯·奧勞克林(Douglas O’laughlin)表示。

制造每一代芯片都需要更多的流程。這意味著，由于生產(chǎn)過程中涉及數(shù)千個復雜步驟，出現(xiàn)錯誤的風險在不斷增加，產(chǎn)量會隨之降低。幾十年后，每個晶體管的生產(chǎn)成本已經(jīng)停止下降，現(xiàn)在正在開始上升。

同時，建造一座最先進芯片制造工廠的成本可能遠遠超過100億美元。除了資金最充裕的公司，這一成本對所有公司來說都是難以承受的。目前全世界只有三家公司在嘗試。

臺積電預計，今年的資本支出將達到400億至440億美元。三星電子則計劃投資170億美元在美國德克薩斯州泰勒市建造一座芯片制造工廠。英特爾將在俄亥俄州建造兩家芯片工廠，初步投資為200億美元。

也許摩爾定律不再是思考芯片行業(yè)進步的正確方式，解決問題的方法畢竟不止一種。例如，設(shè)計者可以制造出更適合各種具體任務的芯片。蘋果為iPhone、iPad以及Mac電腦自行設(shè)計處理器，從而取代英特爾的通用處理器，從而有效證明了這一點的可行性。定制化芯片可以比標準芯片更好利用設(shè)備的計算能力，對于蘋果這種能控制設(shè)備軟件的公司更是如此。

芯片制造商也可以采用一種“小芯片”的方法，通過把CPU的部分功能剝離開來，并將這些小芯片與內(nèi)存以及其他以更便宜方式制造的高性能組件打包整合，從而提高系統(tǒng)的整體性能。

市場研究公司SemiAnalysis首席分析師迪倫·帕特爾(Dylan Patel)表示：“在芯片制程工藝領(lǐng)域，現(xiàn)在有一個’金發(fā)女孩效應’（意為不追求極端，恰到好處），不同的工藝節(jié)點實際上更適合不同的應用?！薄翱s小整個芯片的體積，或者把所有東西都放在更先進的工藝節(jié)點上，實際上成本更高，而且并不一定意味著有更好的性能和功耗?！?/p>

此外科學家發(fā)現(xiàn)，使用像氮化鎵這樣的新材料來取代硅，可以以更低成本繼續(xù)在單個芯片上封裝更多晶體管。另一個可能的材料是碳納米管，這種用石墨烯制成的管狀結(jié)構(gòu)直徑只有幾納米。

人們習慣于通過“定律”來描述某一現(xiàn)象的不可改變，但摩爾作出的預測更像是一個預言。多年來，芯片行業(yè)參與者一直在盡其所能努力實現(xiàn)這個預言。幾十年前看起來像魔術(shù)、現(xiàn)在已經(jīng)司空見慣的設(shè)備在20年后并不見得仍是技術(shù)前沿。

摩爾定律的狹義定義可能無法繼續(xù)下去，所幸人類的聰明才智是無限的。