Lance A.Davis

Senior Advisor, US National Academy of Engineering

一個時代的終結

Lance A.Davis

Senior Advisor, US National Academy of Engineering

許多人都撰寫過有關摩爾定律即將消亡和集成電路芯片晶體管密度將呈指數級擴展的文章。當我們在思索這一即將到來的轉變所帶來的后果時，我們應該適當花些時間去關注在2016年3月21日逝世的享年79歲的安迪?格魯夫。1987年至1998年，格魯夫擔任英特爾公司的首席執(zhí)行官(CEO)，之后，作為戈登?摩爾的繼任者擔任該公司的董事長，直到2005年。和其他人一樣，格魯夫負責將摩爾定律和信息革命變成現實。

安迪?格魯夫的人生十分引人關注，很多人都說是傳奇式的。在逃離了二戰(zhàn)大屠殺和經歷了匈牙利11年的政治動蕩后，他以移民的身份逃到了美國，身無分文，不會說英語，并且還患有由于兒童時期的疾病導致的聽力喪失。但他成功地從紐約市立學院畢業(yè)，然后轉到加利福尼亞大學伯克利分校，并于1963年在伯克利獲得了化學工程博士學位。此后不久，他加入了仙童半導體公司，并于1968年協(xié)助創(chuàng)立了英特爾。

顯然，格魯夫是一個令人敬畏的技術人才，但是他的專長似乎在管理方面。這一點可以在1996年出版的《只有偏執(zhí)狂才能生存》[1]一書中得到印證。據他的CEO繼任者克雷格?貝瑞特描述，他的管理方式就是采用激烈的個人競爭，這在當事者看來就像是被木板擊中頭部。許多管理顧問或心理學家可能會說，這種方法過于極端，但正是這種方法多次將英特爾從災難的邊緣拉回來，使其成為歷史上最成功的公司之一，成為計算機行業(yè)微處理器芯片的主要供應商。

成功并不總是等同于正確。當一種新型奔騰處理器在1994年被推出時，一些用戶注意到，該處理器存在處理缺陷。但是格魯夫反駁到，除高級用戶外，對大多數人而言這無關緊要，中低端用戶也不必擔心。然而，之后出現了大量的用戶投訴。格魯夫和英特爾不得不走回頭路，斥資數億美元糾正該缺陷。正如喬納森?坎德爾在紐約時報上報道他逝世的消息一樣[2]，這種情形可以稱得上是從錯誤中絕地反擊。品牌計算機上安裝的奔騰處理器在其長期維護過程中持續(xù)占據顯著位置，并且已經成為了一個與安裝此處理器的計算機一樣知名的品牌。

無論采用何種標準衡量，難以置信的密集程度和功能卓越的集成電路，在創(chuàng)造技術環(huán)境方面都起到了主導作用，盡管我們現在視其為理所當然。從最初電腦公司(通常失敗)試圖說服家庭主婦購買家用計算機以存儲美食菜譜，到首個不可抗拒的電子郵件“應用程序”的出現以及成為互聯網、智能手機和嵌入式處理器的組成部分，各種驚人的進步都歸功于對摩爾定律的持續(xù)追求 和集成電路的不斷發(fā)展。對于這些進步，我們需要感謝安迪?格魯夫這些人。

格魯夫的經營方針以“只有偏執(zhí)狂才能生存”為主要特點，需要時刻留意可能破壞重要業(yè)務的新技術或新經營方針的突然出現。未雨綢繆，提前預測此類事件的發(fā)生是他每日的挑戰(zhàn)。對于當今的半導體公司而言，這一挑戰(zhàn)仍然是激烈的。自始至終遵循摩爾定律的“一切照舊”模式就意味著結束。摩爾定律在未來十年左右的時間內有可能達到其物理或實際制造的極限，因此半導體公司必須考慮如何實現變革。

摩爾定律由戈登?摩爾在1965年提出，并在1970年略有修改，以規(guī)定集成電路芯片的功能每隔兩年翻一番且價格每隔兩年下降一半，從而淘汰前幾代的芯片。如此，就形成了一 個良性循環(huán)：隨著每次芯片尺寸的變小，其性能會自動提升。然而，當90 nm芯片在21世紀初首次出現時，如何散去操作過程中產生的熱量成為了一個主要難題。在250 MHz的4核處理器與1 GHz 的單核處理器在處理速度上一樣快的設想下，在相關問題可以同時解決的前提下，時鐘速度和計算執(zhí)行速度顯著提高，多核(如2、4、8核等)微處理器已經被制造。雖然這些措施可以使芯片尺寸繼續(xù)縮小，但是散熱問題仍然是一個瓶頸。將芯片縮小至5 nm的研究計劃已經被提出，預計在2020—2021年實現。然而，在可以實現的前提下，將芯片進一步縮小至2~3 nm，突破可能的物理限制需要付出巨大的努力。M?米切爾?沃爾德羅普在最近出版的《自然》雜志中詳細說明了集成電路技術的關鍵部件以及摩爾定律進一步發(fā)展所遇到的挑戰(zhàn)[3]。

隨著芯片尺寸的逐步縮小，對生產芯片所需的精度要求更高，制造芯片所需的儀器和這些儀器的成本都令人咋舌。要實現大量芯片的經濟化生產，需要一條成本達數十億美元的現代化工廠生產線。此外，來自眾多供應商的必要的材料和儀器必須彼此兼容。這些條件的演變導致美國半導體產業(yè)協(xié)會(SIA)成員在1993年制定了首個半導體的技術路線圖。該路線圖允許同行業(yè)的與會者制定研究計劃，發(fā)展其獨特的技術，從而通過滿足行業(yè)需求在商業(yè)上變得可行。1998年，SIA將歐洲、日本、韓國和其他國家和地區(qū)納入其中，并創(chuàng)建了首個全球性路線圖——國際半導體技術路線圖(ITRS) [4]。

公平地說，如果不是從路線圖了解到專家預測的協(xié)調，半導體革命將不會以這樣一種持續(xù)且高效的方式發(fā)生。

雖然對一些人而言，技術路線圖令人畏懼，但專家明白，它們涉及到許多相互依存部分的演變。其涉及范圍從晶體生長爐到巨硅單晶晶柱，從切割及拋光晶片設備到形成芯片圖案的光刻化學品和光刻機，從蝕刻機到處理晶圓和芯片的機器人設備及驗證芯片性能的測試設備等。在本雜志的以前卷期中，例如，屠海令[5]注意到，實現10 nm大小所需的單晶硅技術的下一步為將單晶體的直徑從300 mm增加到450 mm，即，從類似于樹干粗的晶柱變?yōu)轭愃朴诟謽涓傻木е?。在確保低缺陷密度和切割硅片平整度的同時處理這樣的晶柱，將會是一項非常艱巨的任務。

該技術路線圖通常在偶數年更新，奇數年修訂。最新一期的ITRS在2013年發(fā)布，下一期也即將出版；然而，本期意味著一個階段的結束，因為下一期將首次不再關注摩爾定律。此外，為了避免形成新的ITRS，SIA將制定自己的研究計劃，重點強調適用于特殊用途的特殊芯片，而不是更小的芯片。

為了超越摩爾定律，包括主要半導體制造商采用的方法在內的廣泛的研究方法被調查。然而，目前的經濟形勢是，到處都是毫無生氣的技術公司，他們并沒有為繼續(xù)生存下去而進行必要的轉變。正如安迪?格魯夫自己所指出的，為使英特爾轉變成為微處理器芯片的主導者(此種轉變使公司獲得了巨大成功)，必須將主要精力傾注于內存芯片。向“超摩爾定律”的過渡對于當今的半導體制造商而言可能更困難。對他們來說，嚴重的危險是，在他們試圖長時間待在舒適環(huán)境中以及從前期已經投入數十億美元的集成電路晶圓廠生產線中榨干所有利潤的同時，其他人成功地掌握了使當前晶圓廠生產線過時的全新計算技術或商業(yè)模型，正如晶體管和集成電路的出現使真空管過時一樣。

[ 1] Grove AS.Only the paranoid survive.New York: Doubleday; 1996.

[2] Kandell J.Andrew S.Grove dies at 79; Intel chief spurred semiconductor revolution [Internet].2016 Mar [cited 2016 Apr 11].Available form: http://www.nytimes.com/2016/03/22/technology/andrew-grove-intel-obituary.html?emc=edit_th_20160322&nl=todaysheadlines&nlid=35255817&_r=0.

[3] Waldrop MM.The chips are down for Moore’s law [Internet].2016 Feb [cited 2016 Apr 11].Available form: http://www.nature.com/news/the-chips-aredown-for-moore-s-law-1.19338?WT.mc_id=TWT_NatureNews.

[4] Wikipedia.International technology roadmap for semiconductors.[updated 2016 Feb 9, cited 2016 Apr 11].Available from: https://en.wikipedia.org/wiki/ International_Technology_Roadmap_for_Semiconductors.

[5] Tu HL.450 mm silicon wafers are imperative for Moore’s Law but maybe postponed.Engineering 2015;1(2):162-3.

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(2): 149-150

Lance A.Davis.The Passing of an Era. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.02.001