摩尔定律还有下半场吗？

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经过近六十年的发展后，我们对摩尔定律的认知也许不该仅仅局限在技术层面。

策划&撰写：Lynn

近些年，关于摩尔定律是否有效的争论一直没有停止过。

过去几年里，黄仁勋在多个场合都明确表示“摩尔定律已经失效”，是他将这个事实摊开来摆在众人的面前。尔后这几年里，随着半导体产业发展变缓，业内已经对此没有太多异议，就连摩尔定律提出者戈登·摩尔都表示认同，他在多年前就称摩尔定律未来会失效。

原本这场争论和疑惑应该随着“这份共识”消散，但最近还是有人跳出来提出反对，这个人就是台积电全球营销主管Godfrey Cheng。此后在Hot chips活动上，加入台积电的斯坦福著名教授Philip Wong也公开阐述了同样的观点。作为台积电的高管，他们的身份和言论无法令人忽视，也因此一场热议再次被掀起：摩尔定律到底有没有失效？

摩尔定律、技术与经济

说起摩尔定律，它最初是由Intel创始人之一戈登·摩尔提出的，依据维基百科，其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔两年便会增加一倍。后来在不断引用中，“两年”经常会被参照为“18个月”，后者由Intel研发总监David House提出。

因此随着产业的发展，几经修正后，摩尔定律演进为今天大众熟知的说法：IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

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显而易见，摩尔定律是一个直白的技术发展走势预测，而在过去几十年里，每一次芯片工程师设计出性能加倍的芯片之时，它总会被他们反复提起。久而久之，因反复被验证，摩尔定律被业内奉为“黄金定律”。

如摩尔定律所预期，随着制造、封装工艺等相关技术的进步，单颗芯片上可容纳的晶体管数目确实一直在成倍增长。而它带来的市场反应就是大小、价格不变的情况下，笔记本、手机等电子产品的性能每年也都在提升。

历经了半个多世纪的发展，半导体产业所带来的影响逐渐渗透到生活中的方方面面，为信息技术革命提供了硬件支持。而在社会层面，由科技带来的生产效率提升、社会改革和经济增长也确实十分明显，这让摩尔定律的经济学内涵更为浓厚。后来人们对它进行归纳，衍生出以下三种"版本"：

1、集成电路芯片上所集成的电路数目，每隔18个月就翻一番。 2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，价格下降一倍。 3、用一美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。

可以说，在过去相当长的时间里，这三条说法均是对半导体技术和产业发展的正确表述。

通过这样的表述，我们不难发现后来人们对摩尔定律的理解更离不开价格这一因素，其描述的“价格”与“性能”之间的反比关系也明确传达了一个信号：摩尔定律与经济发展有更为紧密的关联。

2015年，值摩尔定律50周年，经济学家Timothy Taylor专门写了一篇名为“Moore Law at 50”的博文来阐述自己对摩尔定律的思考。在文中，他这样去概述社会经济与科技的关系：“许多科技变化，比如智能手机、测基因的医疗影像技术或纳米技术的进步，都是建立在电脑的高容量大算力基础之上。信息技术成为推动社会财富增长的关键动力之一，因为有了技术，我们可以用一种全新的方式来管理风险和收益，这在过去是根本不敢想象的，同时技术发展也让全球化和外包经济发展空前。”

而上述的这一切，Timothy Taylor认为本质上的驱动力可以说源于“摩尔定律”，即单颗芯片上不断增长的晶体管数目带来的性能提升，是它让信息技术成本降低的同时计算、存储和传输能力在不断提高，从而为社会经济带来了巨大贡献。

如Timothy Taylor所言，发展至今，摩尔定律已经不仅仅是一项描述技术走势的定律。在2018年的一次半导体大会上，谈到摩尔定律，Intel中国研究院院长宋继强也强调说，发展至今，其实我们更应该将它看作是描述半导体产业技术与经济发展关系的一项预测。

Intel之后，台积电挑起“摩尔定律”重担

在经济学理论中，生产率的提升成为促进经济体量增长的主要因素。从这个角度去看，在过去几十年，因CPU等固定模块长期占据市场，设计成本在一个长期稳定的状态中，制造就占据了芯片成本的多数份额，这导致了半导体产业制造水平直接对芯片性能、价格产生影响，从而对信息技术的进步和生产率的增长产生影响。而提到半导体制造，近六十年来，它被认为是延续摩尔定律的关键点所在。

因此回过头去看，半导体制造领域赫赫有名的那些厂商们——早年的IBM、Intel和现在顶住整个产业制造压力的台积电，都成为了过去经济增长的关键推动者。

作为曾经的科技霸主，IBM首先开启了先进半导体制造技术时代，尤其是在nm级制程工艺上。1989年，它搭建了全球第一个200nm生产线，同时在3D封装工艺、铜互连技术、化学机械抛光、计算机化光刻等多项半导体制造技术引领产业走势，也为后来的半导体制造产业奠定了基调。

与此同时，AMD、Intel均在半导体制造市场中持续投入和布局，竞争可以说十分激烈，而正因为紧张的局势，半导体制造产业飞速发展，产品技术发展按照摩尔定律预设的方向稳步向前。

后来，因技术方向错误，在制程上，IBM被Intel的22nm FinFET工艺一举击败。在众人一筹莫展之时，Intel成功延续了摩尔定律的生命，也因此很快就拿下了IBM原有的制造市场，成为nm制程工艺的接棒者。当时风光无限，Intel引来众多追随者，台积电就是其中一名。但随着产业发展，14nm、10nm......晶体管越做越小，Intel也未曾料到，有一天会在7nm上栽跟头。

在近代工艺的发展历史上，7nm绝对是最受关注的工艺水平之一，很多在10nm工艺上大放异彩的半导体公司都在7nm上吃了苦头，Intel也不例外。也因此，台积电借势一举打下了大半市场，完成了自己从追随者到引领者的身份蜕变，树立了自己的地位，拿下了高通、华为等多家主流手机公司的大单。

值得一提的是，在台积电打败Intel之时，伴随而来的不仅仅是工艺技术的进步，以台积电为代表的水平分工模式的壮大同样不可忽视。有业内人分析指出，在IDM时代之后，伴随着IBM、Intel相继退居幕后，水平分工模式可以看做是半导体产业经济中最伟大的创新之一，也正是借此，中国台湾半导体产业走到了舞台中央，中国台湾经济因此腾飞。

制造先行，摩尔定律在后

发展至今，我们发现，其实半导体制造领域一直在以一个稳定的节奏向前推动。从早期的先进制程到现在的先进封装、晶体管革新，从早年的IDM时代到如今的水平分工模式，无论是技术层面的发展还是制造分工的创新，制造产业一直在不断革新和发展。

现在，作为代工企业里的中流砥柱，台积电也是一直在推进对新技术、新工艺的探索，不久前，它站出来发声，目的也是给出产业几个可行的降低成本的技术方向：

1. 深入设计技术协同优化向系统技术协同优化的转变，采用新的系统集成方式，如用interposer的方式将多模块集成在一起，如Chiplet； 2. 用基于硅片的先进封装技术将计算和存储更为紧密集成，以提升芯片系统； 3. 新的底层材料，比如碳纳米管；

可以看出，这几个技术方向绝非空穴来风。今年年中，用Chiplet This，台积电已经向业内展示了其系统封装技术的先进性，而史上最大单晶圆芯片Cerebras Wafer Scale Engine的背后，无疑是台积电在硅片封装上的技术能力在支撑，而最近刊登在nature杂志上的最新碳纳米管处理器，其也让基于第三代材料的芯片商用向前迈了一大步，而这些都将为延续摩尔定律提供动力。

但即便如此，这几大技术方向是否能够给产业带来真正的动力尚不可知，并且从发展历程来看，真正适应市场的技术一定会引爆市场，而现在整个产业的“平静”多少让人担心：先进制造将无法延续摩尔定律。

从有序走向无序，“失效”背后的技术变革

回顾摩尔定律，它之所以如此重要，是因为自提出以来，经过几十年的验证，摩尔定律对于产业发展规律的描述有其正确性。

但是随着应用需求和技术走势的变化，芯片产品模式也发生了翻天覆地的变化，设计在芯片中的成本占比也越来越高，加之通用性CPU不再适用于上层需求，性能和价格的发展走势已经无法继续维持常数的比例关系。

因此业内人普遍认为摩尔定律失效。

黄仁勋是代表之一，他认为信息技术发展对CPU的依赖已经弱化了许多，新的芯片产品比如说GPU承担了更多计算任务，因此再也不像摩尔定律所言，晶体管数目决定了性能、算力的发展，未来计算能力将会与系统架构、软件生态等更多因素有关。

图片来源：英伟达官网

不难理解，黄仁勋的出发点就是技术，即晶体管与算力之间的正比关系，从这个角度去看，摩尔定律所预言的确实不复存在了。因为在近十年来，为了追求使用体验并迎合深度学习算法需求，市场都极其愿意为价格高昂、块头极大的GPU买单，而这显然已经偏离了摩尔定律的预期。

不过有意思的是，业内有人分析发现，从长期的价格走势来看，近十年GPU性能在不断走高，价格其实在走低，颇有“摩尔定律”的意味，而这里面，GPU产品走势的主要影响因素是制造工艺的提升。

但是回到整个产业去看，半导体技术的发展确实已经不再如摩尔定律所预言的一般。

由此不难得出两点：1.摩尔定律所说的晶体管数目与性能之间的关系已经不再适用半导体产业的整体发展走势；2.因为需求和技术的变革，现在的半导体制造已经不再是影响半导体产业按照摩尔定律发展的关键因素。

摩尔定律真的完全失效了吗？

但是，摩尔定律背后所阐述的技术与经济发展关系也因此失效了吗？

很难说。因为正如任何一条被反复验证的定律一般，历经了半导体产业六十年的发展，摩尔定律势必也将随之发展，甚至被不断修正，因此依然有很多人对新的产业定律抱有期待。

现在，因为摩尔定律的失效，异构计算、AI芯片等均兴起，算力、性能依然在不断提升，但是同样，底层芯片的成本确实也在提升。不过相较于以往只卖CPU等硬件模块的商业模式，系统集成是现在的主流，在英伟达之后，卖服务和平台也成为现在芯片公司再平常不过的销售方式。

如果摩尔定律失效，它意味着半导体产业走向了一个发展的瓶颈期，或者说一个稳定发展阶段的终结。但不仅仅如此，如Timothy Taylor所分析，半导体推动经济发展的这股驱动力将会削弱，经济增长会受到一定程度的影响。

但是摩尔定律已经不仅仅是一项技术定律，异构计算等新兴技术引起的商业模式变化，乃至分工模式的变化，最终和整个社会经济再次融为一体，形成一个长期稳定的局面，这确实是可期的。

最后，摩尔定律的背后故事

摩尔定律第一次正式被公众知悉，是戈登·摩尔在供职仙童半导体期间，他于1965年4月19日在《Electronics Magazine》上刊登的一篇《让集成电路填满更多的组件》中提到了它，当时他是根据器件的复杂性（电路密度提高而价格降低）和时间之间的线性关系作出这一判断的，他的原话是这样的：“最低元件价格下的理杂性每年大约增加一倍。可以确信，短期内这一增长率会继续保持。即便不是有所加快的话。而在更长时期内的增长率应是略有波动，尽管没有充分的理由来证明，这一增长率至少在未来十年内几乎维持为一个常数。”这就是后来被人称为“摩尔定律”的最初原型。

图 | 戈登·摩尔

1975年，摩尔在国际电信联盟IEEE的学术年会上提交了一篇论文，根据当时的实际情况，对"密度每年回一番"的增长率进行了重新审定和修正。自那以后，摩尔定律就成为今天我们所见到的形态。

不过后来在1997年，摩尔本人在接受采访时表示，他当年是把"每年翻一番"改为"每两年翻一番"，并声明他从来没有说过"每18个月翻一番"，即现在所流传的18个翻一番并非出自他之口。

“修正”后，这项以摩尔命名的定律就这样流传了下来，并在反复验证下收获了业内人的关注和认可。未来，很有可能，它将会再次被修正甚至以另一种形态出现