摩尔定律未死,英特尔又燃起了希望之火

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1965年4月19日,《电子学》杂志(Electronics Magazine)第114页发表了摩尔(时任仙童半导体公司工程师)撰写的文章《让集成电路填满更多的组件》,文中语言的说道,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔12个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。
戈登·摩尔的发现不基于任何特定的科学或工程理论,只是真实情况的影射总结。硅芯片行业注意到了这个定律,没有简单把它当作一个描述的、预言性质的观察,而是作为一个说明性的,重要的规则,整个行业努力的目标。半导体行业为了保证所有的下游公司都能保持一致,所发布的预期技术及转型路线图也都是围绕摩尔定律来建立的。随着时间的迁移,戈登·摩尔也随着可获取的经验数据,在1975年的时候,讲定律中的翻倍时间修改为24个月。

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在后来的30年时间里,简单的几何比例缩小(使芯片上所有元器件越来越小)就保证了稳速的收缩,验证了摩尔的预测。到了2000年,显然几何比例到头了,但是各种技术手段的发明使得该行业的发展跟上了摩尔定律的步伐。在90纳米时,应变硅发明了;45纳米时,增加每个晶体管电容的分层堆积在硅上的新材料发明了;22纳米时,三栅极晶体管的出现保证了缩小的步伐。
摩尔定律也在不断的遇到挑战,甚至全球最知名的学术刊物《自然》杂志在2016年也曾发表文章说,摩尔定律真的到头了。
《自然》发表的这篇文章也不是空穴来风,因为英特尔原计划2016年推出14纳米Skylakes的缩小版——10纳米Cannonlake处理器跳票了。直到今天,英特尔才把它拿到了众人面前。
今天:摩尔定律依然奏效
那么,今天亮相的英特尔Cannonlake 10 纳米还在遵循摩尔定律吗?英特尔公司执行副总裁兼制造、运营与销售集团总裁Stacy Smith给出了肯定的回答。
在英特尔,摩尔定律已经在不同层面上奠定了英特尔的发展以及整个行业的进步。晶体管密度贯穿了英特尔的发展历程,晶体管密度一直以来都在快速提升,英特尔每一代新的晶体管技术都会带来一个巨大的突破,这就是摩尔定律的原动力。

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其实,在英特尔发展的每一个节点,晶体管数量都会增加一倍,14纳米和10纳米制程技术都创了历史纪录,实现了超过平常制程工艺的更高的晶体管密度。制造成本正常的趋势是不断攀升,如果成本攀升但是晶体管微缩,事实上每个晶体管的成本是下降的,可以看到最后两个节点的成本下降幅度是高于历史趋势的。这就证明了摩尔定律仍然有效。
Stacy Smith强调,英特尔卖的不是晶体管而是成本。要做到这一点,英特尔要么让晶片的尺寸不变,然后加入更多的性能和功能的晶体管,要么把晶片的尺寸缩小。遵循摩尔定律,就意味着英特尔在降低成本的同时,提高性能、增加功能。成本数据证明,摩尔定律也在推动成本的下降,保证摩尔定律未来持续有效。

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如上图所示,每个晶体管的成本随着新一代的制程技术的诞生不断地下降,节点之间时间在延长,对于英特尔、对于整个行业都是这样,摩尔定律仍然能够带来同样的效益,因为英特尔的微缩技术正在进一步发展。

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“尽管从22纳米、14纳米、10纳米制程技术可能中间的时间更长,但是14纳米和10纳米的晶体管密度都超过了以往的制程技术,每一代我们迈出的步伐都在加大,这样可以保证摩尔定律为我们指出的历史趋势。”Stacy Smith这句话给10纳米Cannonlake的问世给出了解释。
Stacy Smith所提到的,保证摩尔定律得以延续的技术核心,就是英特尔超微缩技术。

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如上图,14纳米和10纳米制程芯片,虚线指的是正常的摩尔定律的微缩尺寸。但是在图中看到,超微缩技术的力量是非常强的,超微缩技术能够让14纳米和10纳米上的晶片面积缩小了0.5倍以上。这种情况下,带来的直接的成本节省。

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这是22纳米和14纳米产品的成本曲线。第一个用新制程技术的产品,成本肯定会高一些。但是第二个产品的成本就会出现甜头,左边是22纳米的Ivybridge和Haswell,Haswell的22纳米制程是英特尔最优化成本的一个产品。
同样的成本趋势,从Broadwell到Skylake,Skylake和Haswell的成本非常类似。如果做一个比较,KabyLake 的成本比Haswell要低一些。
在成本类似的情况下,KabyLake有比Haswell的晶体管数量多了8亿个,所以KabyLake全新更高类级的产品,成本因为架构的完善仍然遵循摩尔定律来实现降低,所以摩尔定律仍然是一种真理的存在。

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这里展示的是PC处理器每晶体管的加权平均成本。从2004年开始的每个晶体管的成本,正如刚才的摩尔定律曲线一样,这张图能够充分展示践行摩尔定律带来的好处,尽管每个节点在拉长,但是仍然能够获得很多优势,以及每个技术的优化。

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拜摩尔定律所赐,英特尔的财务业绩也是一个有力的说明。英特尔在不同领域的产品都是居于领先的位置,同时还有60%的利润提升,摩尔定律仍在生效。
当然,英特尔也不否认,半导体业界,竞争对手的产品路线图在挑战摩尔定律。

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Stacy Smit用这样一张图标来直面这个问题。图中,蓝线代表英特尔,橙线是竞争对手。英特尔是按照摩尔定律在推动14纳米制程技术,竞争对手的曲线明显偏离了摩尔定律。
也许有人会说,人家的10纳米已经有了,而英特尔与之平行的还是14纳米产品。
但是仔细研究过就会明白,竞争对手10纳米的制程技术的晶体管密度只相当于英特尔14纳米制程晶体管密度,英特尔呼吁业界,制程技术应该以实践来作为度量方式,而不是只局限于命名。
最后,英特尔想证明摩尔定律有效的最强有力话语,就是10纳米晶圆的正式问世。

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图:英特尔公司执行副总裁兼制造、运营与销售集团总裁 Stacy Smith发布10纳米晶圆

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