制造顶级芯片越来越贵 建工厂成本远超百亿美元

摩尔定律真的终结？

3月8日消息 芯片制造行业的摩尔定律已经快要触及物理极限和经济极限。虽然芯片制造商还能继续压缩芯片上的晶体管尺寸，但制造最先进芯片的成本一直在增加，每个晶体管的生产成本已经停止下降，现在正在开始上升。

在芯片技术发展的早期阶段，英特尔联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)曾在1965年作出假设，集成电路上的元件数量将每年翻一番，后来被修正为大约每两年芯片上的晶体管数量会增加一倍。这就是现在众所周知的摩尔定律。几十年来，芯片行业一直在进步，制造出一度难以想象的设备，然后按着摩尔定律稳步推进。

苹果公司高端笔记本电脑所搭载的M1 Max芯片拥有570亿个晶体管。缩小芯片尺寸方面的技术一直在稳步发展，如今数万个晶体管可以放置在一个比头发丝还细的地方。晶体管体积更小，也让芯片处理速度更快、价格更低廉，使计算能力和生产力得到指数级提升。现在，用户口袋里的智能手机处理性能比50多年前帮助人类登上月球的大型计算机还要好，而且成本只是后者的零头。

多年来，很多人都曾预言摩尔定律行将终结，但芯片制造商不断突破技术极限，找到储存更多计算能力的新方法。最新的极紫外(EUV)光刻技术使用波长更短的光在晶圆上蚀刻超细图案。荷兰公司ASML是唯一一家为芯片制造商生产EUV设备的公司。每台设备的成本约为1.5亿美元。但在全球芯片制造商争相增加产能之际，公司积压了大量设备订单。

随着晶体管尺寸接近原子水平，芯片制造似乎不可避免地将达到某些物理极限。如今，晶体管之间的距离以几十纳米为单位，而一纳米大约只有5个硅原子的宽度。

在物理学定律最终终结摩尔定律之前，经济学定律可能也会终结摩尔定律。制造最先进芯片的成本一直在增加，随着技术的每一次迭代而变得越来越昂贵。

“摩尔定律从技术上讲或许还能继续，但从经济角度讲，这是行不通的，”半导体行业分析师道格拉斯·奥劳克林(Douglas O’laughlin)表示。

制造每一代芯片都需要更多的流程。这意味着，由于生产过程中涉及数千个复杂步骤，出现错误的风险在不断增加，产量会随之降低。几十年后，每个晶体管的生产成本已经停止下降，现在正在开始上升。

同时，建造一座最先进芯片制造工厂的成本可能远远超过100亿美元。除了资金最充裕的公司，这一成本对所有公司来说都是难以承受的。目前全世界只有三家公司在尝试。

台积电预计，今年的资本支出将达到400亿至440亿美元。三星电子则计划投资170亿美元在美国德克萨斯州泰勒市建造一座芯片制造工厂。英特尔将在俄亥俄州建造两家芯片工厂，初步投资为200亿美元。

也许摩尔定律不再是思考芯片行业进步的正确方式，解决问题的方法毕竟不止一种。例如，设计者可以制造出更适合各种具体任务的芯片。苹果为iPhone、iPad以及Mac电脑自行设计处理器，从而取代英特尔的通用处理器，从而有效证明了这一点的可行性。定制化芯片可以比标准芯片更好利用设备的计算能力，对于苹果这种能控制设备软件的公司更是如此。

芯片制造商也可以采用一种“小芯片”的方法，通过把CPU的部分功能剥离开来，并将这些小芯片与内存以及其他以更便宜方式制造的高性能组件打包整合，从而提高系统的整体性能。

市场研究公司SemiAnalysis首席分析师迪伦·帕特尔(Dylan Patel)表示：“在芯片制程工艺领域，现在有一个’金发女孩效应’（意为不追求极端，恰到好处），不同的工艺节点实际上更适合不同的应用。”“缩小整个芯片的体积，或者把所有东西都放在更先进的工艺节点上，实际上成本更高，而且并不一定意味着有更好的性能和功耗。”

此外科学家发现，使用像氮化镓这样的新材料来取代硅，可以以更低成本继续在单个芯片上封装更多晶体管。另一个可能的材料是碳纳米管，这种用石墨烯制成的管状结构直径只有几纳米。

人们习惯于通过“定律”来描述某一现象的不可改变，但摩尔作出的预测更像是一个预言。多年来，芯片行业参与者一直在尽其所能努力实现这个预言。几十年前看起来像魔术、现在已经司空见惯的设备在20年后并不见得仍是技术前沿。

摩尔定律的狭义定义可能无法继续下去，所幸人类的聪明才智是无限的。