來(lái)源：內(nèi)容由半導(dǎo)體芯聞（ID:MooreNEWS）編譯自FT，謝謝。

在荷蘭 Veldhoven 鎮(zhèn) ASML 龐大園區(qū)的“潔凈室”內(nèi)，數(shù)十名穿著防護(hù)服的男男女女正在呼吸比手術(shù)室凈化 10,000 倍的空氣。他們正在研究芯片工具制造商最新產(chǎn)品的第一個(gè)原型：最新一代的極紫外光刻機(jī)，用于將幾乎與人類染色體直徑一樣小的晶體管“打印”到硅片上以制造半導(dǎo)體. 這款 EUV 機(jī)器將于今年以超過 3.5 億歐元的成本運(yùn)送給英特爾。

如果沒有 ASML 的光刻機(jī)，像 Apple 的 iPhone 這樣無(wú)處不在的產(chǎn)品或像為 ChatGPT 提供動(dòng)力的 Nvidia 芯片一樣復(fù)雜的產(chǎn)品將是不可能的。世界上只有英特爾、三星和臺(tái)積電這三家公司能夠制造使這些產(chǎn)品成為可能的先進(jìn)處理器。而他們都依賴于 ASML 的尖端設(shè)備。

ASML 實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新確保了晶體管不斷縮小，從而使芯片更加強(qiáng)大。半導(dǎo)體晶體管密度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這使得過去 50 年技術(shù)行業(yè)的進(jìn)步步伐成為可能。這一生產(chǎn)率是英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登摩爾預(yù)測(cè)的，他在 1965 年表示，芯片中集成的晶體管數(shù)量每年大約翻一番——這一預(yù)測(cè)后來(lái)被修改為每?jī)赡暌淮?，后?lái)被稱為摩爾定律。

雖然英特爾本身通過其在半導(dǎo)體制造和工藝工程方面的不懈創(chuàng)新對(duì)大部分進(jìn)步負(fù)有責(zé)任，但現(xiàn)在 ASML 被視為保持摩爾定律的活力，幫助制造可容納約 500 億個(gè)晶體管的指甲蓋大小的芯片。

“是什么推動(dòng)了摩爾定律？它基本上是光刻技術(shù)，”ASML 前 50 名投資者 Abrdn 的投資經(jīng)理 Jamie Mills O'Brien 說(shuō)。

這種價(jià)值轉(zhuǎn)變反映在兩家公司的股票市場(chǎng)估值中。在阿姆斯特丹和紐約上市的 ASML 現(xiàn)在的市值大約是英特爾的兩倍，美國(guó)芯片先驅(qū)在很大程度上錯(cuò)過了過去十年智能手機(jī)和人工智能領(lǐng)域的大趨勢(shì)，因?yàn)樗鼰o(wú)法跟上臺(tái)灣芯片制造商臺(tái)積電的步伐，臺(tái)積電本身就是最早采用 ASML EUV 技術(shù)的公司之一。

然而，芯片制造商現(xiàn)在面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。摩爾的預(yù)測(cè)已經(jīng)落后于計(jì)劃，現(xiàn)在的節(jié)奏接近三年。為今年的 iPhone 量產(chǎn)的最新 3 納米芯片之后，一些人認(rèn)為到 2025 年將實(shí)現(xiàn)更大的飛躍，達(dá)到 2 納米?！暗且坏┠氵_(dá)到 1.5 納米，也許是 1 納米，摩爾定律就 100% 失效了”，硅谷 Creative Strategies 的技術(shù)分析師 Ben Bajarin 說(shuō)?！熬褪菦]有辦法?！?/p>

多年來(lái)，芯片工程師一直在挑戰(zhàn)摩爾定律終結(jié)的預(yù)測(cè)。但是可以封裝到硅芯片上的晶體管數(shù)量開始達(dá)到物理學(xué)的基本極限。一些人擔(dān)心制造缺陷會(huì)因此增加；開發(fā)成本已經(jīng)有了?！澳柖傻慕?jīng)濟(jì)學(xué)已經(jīng)消失了，” Bajarin說(shuō)。

在過去的幾年里，這讓芯片設(shè)計(jì)人員爭(zhēng)先恐后地尋找其他方法來(lái)維持處理能力的進(jìn)步，從新的設(shè)計(jì)技術(shù)和材料到使用最新芯片支持的人工智能來(lái)幫助設(shè)計(jì)新芯片。

危在旦夕的不僅是維持支撐科技行業(yè)的創(chuàng)新步伐，更重要的是幾十年來(lái)持續(xù)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和我們?nèi)粘Ｉ畹母靖纳?。如果?AI 和“元宇宙”到清潔能源和自主交通方面長(zhǎng)期承諾的進(jìn)步的發(fā)展要發(fā)揮其潛力，那么芯片需要不斷變得更便宜、更強(qiáng)大和更高效。

“總有一天它必須停止，”3 月去世的摩爾在 2015 年警告說(shuō)，當(dāng)時(shí)他的原始論文正值其發(fā)表 50 周年?！皼]有像這樣的指數(shù)永遠(yuǎn)持續(xù)下去?！?/p>

指數(shù)增長(zhǎng)

如果 ASML 要保持摩爾定律完好無(wú)損，它就必須花費(fèi)數(shù)十億美元——同時(shí)要實(shí)現(xiàn)不可思議的物理和工程壯舉——才能做到這一點(diǎn)。

ASML 于 1980 年代從飛利浦分拆出來(lái)，開始在其母公司位于埃因霍溫（一個(gè)居民不到 30 萬(wàn)居民的小城市）的停車場(chǎng)的一個(gè) portacabin 中開展業(yè)務(wù)。如今，ASML 是歐洲最有價(jià)值的科技公司，市值約為 2750 億歐元。

ASML 位于 Veldhoven 的總部距離那個(gè)小木屋只有幾公里，ASML 生產(chǎn)的機(jī)器能夠以每秒 50,000 次的速度蒸發(fā)微小的熔融錫液滴，從而產(chǎn)生 13.5 納米波長(zhǎng)的光。然后，這種 EUV 光被真空室內(nèi)的一系列鏡子反射，變窄并聚焦，直到它到達(dá)硅片。

“摩爾定律是一種經(jīng)濟(jì)工具：每?jī)傻饺?，您可以以相同的成本將性能提高一倍，”ASML 的首席執(zhí)行官 Peter Wennink 說(shuō)。但是，他補(bǔ)充說(shuō)，“還有另一個(gè)摩爾定律的功能沒有人談?wù)摚耗柖傻膹?fù)雜性。每?jī)傻饺昃蜁?huì)有新一代的芯片。這并沒有變得更容易。復(fù)雜性也呈指數(shù)級(jí)上升?！?/p>

該公司的高數(shù)值孔徑 (NA) 機(jī)器是其巨額研發(fā)投資的最新成果，該投資在 2022 年增長(zhǎng)了 30%，達(dá)到 33 億歐元。High NA 實(shí)質(zhì)上擴(kuò)大了數(shù)值孔徑——或角度范圍——光可以彎曲和****，使其能夠在晶圓上創(chuàng)建更小的晶體管圖案。

ASML 現(xiàn)有的 EUV 機(jī)器只有五個(gè)客戶——ZHONGGUO 臺(tái)灣的臺(tái)積電、韓國(guó)的三星和 SK 海力士，以及美國(guó)的英特爾和美光。他們都訂購(gòu)了最新型號(hào)。

這家荷蘭公司對(duì) EUV 機(jī)器的壟斷（它也是深紫外線或 DUV 機(jī)器的最大生產(chǎn)商，這對(duì)于生產(chǎn)汽車和家用電器中更大、更普遍的芯片至關(guān)重要）在華爾街贏得了粉絲。

ASML 的利潤(rùn)在過去五年中翻了一番多，其股價(jià)自 2018 年年中以來(lái)相應(yīng)上漲了 300%。

盡管目前正陷入中美之間激烈的地緣政治斗爭(zhēng)，并且在大流行驅(qū)動(dòng)的繁榮造成庫(kù)存過剩后芯片需求出現(xiàn)更廣泛的放緩，但 ASML 押注美國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將在未來(lái)幾年翻一番：從今天的 6000 億美元增至 2030 年的 1.3 萬(wàn)億美元。

它有 400 億美元的積壓訂單，證明需求仍然具有彈性，并計(jì)劃到 2025 年在研發(fā)上投資超過 40 億歐元，以維持其創(chuàng)新步伐。

如果摩爾定律的終結(jié)威脅到這一切，溫寧克就很好地假裝不是這樣。他說(shuō)，他對(duì)此“一點(diǎn)也不擔(dān)心”，但承認(rèn)對(duì)持續(xù)進(jìn)步的期望是 ASML 的“最大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手”?！拔覀兪巧a(chǎn)過程中最昂貴的機(jī)器，”他說(shuō)?！叭绻覀儾荒転榭蛻籼峁┙档统杀净蛟黾觾r(jià)值的能力，我們的客戶就會(huì)尋找其他方法?！?/p>

擴(kuò)展摩爾定律

芯片設(shè)計(jì)人員已經(jīng)開始為這種可能性做準(zhǔn)備。英國(guó) AI 芯片初創(chuàng)公司 Graphcore 的首席執(zhí)行官 Nigel Toon 說(shuō)：“工具箱中有很多工具可以塞進(jìn)更多的晶體管?！?/p>

“摩爾定律可能已經(jīng)結(jié)束，但這并不意味著創(chuàng)新已經(jīng)消亡，”卡內(nèi)基梅隆大學(xué)執(zhí)行研究員 Hassan Khan 說(shuō)，他領(lǐng)導(dǎo)美國(guó)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)在半導(dǎo)體和供應(yīng)鏈方面的工作。

“在公共領(lǐng)域，摩爾定律和技術(shù)進(jìn)步混為一談，好像唯一推動(dòng)創(chuàng)新的就是更便宜的晶體管。人類很聰明地發(fā)現(xiàn)瓶頸并找到解決方法?！?/p>

幾十年后，英特爾開創(chuàng)的“中央處理器”促成了個(gè)人電腦和智能手機(jī)等通用瑞士軍刀式計(jì)算機(jī)的誕生，“硬件和軟件之間的聯(lián)系正在回歸”，Ondrej Burkacky 說(shuō)，他領(lǐng)導(dǎo)麥肯錫的半導(dǎo)體業(yè)務(wù)。

也許分布最廣的例子是 iPhone。

定制芯片是蘋果能夠繼續(xù)將其智能手機(jī)與運(yùn)行谷歌安卓操作系統(tǒng)的智能手機(jī)區(qū)分開來(lái)的重要因素。Apple 能夠與其內(nèi)部芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)特定的 iPhone 軟件功能，該團(tuán)隊(duì)目前擁有數(shù)千人。這對(duì) Android 制造商來(lái)說(shuō)更難，因?yàn)楣雀璧能浖仨氈С謹(jǐn)?shù)千種不同品牌的手機(jī)，從廉價(jià)的基本手機(jī)到三星最新的售價(jià)超過 1000 美元的旗艦機(jī)型。

Apple 對(duì)英國(guó) Arm 設(shè)計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)芯片進(jìn)行了微調(diào)，以確保其 iPhone 具有更快的性能或更長(zhǎng)的電池壽命。它在這方面做得非常好，以至于它能夠在 2020 年為其 Mac 用基于 Arm 的定制芯片取代英特爾。

隨著設(shè)計(jì)人員為特定任務(wù)尋求更高的性能，一些公司正在更進(jìn)一步地重新思考芯片“架構(gòu)”，或處理器設(shè)計(jì)和封裝方式的基本原理。Toon 說(shuō)，像 Graphcore 這樣的公司可以“從一張白紙開始”?！澳惚仨毟嗟乜紤]適合正確應(yīng)用程序的正確架構(gòu)?！?/p>

Nvidia 現(xiàn)在是世界上最有價(jià)值的半導(dǎo)體公司，本周市值達(dá)到1萬(wàn)億美元，它在為視頻游戲玩家和研究科學(xué)家提供利基圖形卡方面嶄露頭角，然后在其圖形處理單元成為每個(gè)人工智能公司的必備品時(shí)取得了成功. 圖形和 AI 都與 Nvidia 的“并行處理”技術(shù)相得益彰，該技術(shù)旨在處理重復(fù)性任務(wù)，例如渲染多邊形或運(yùn)算算法。

根據(jù)其首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人黃仁勛的說(shuō)法，在 Nvidia 成立的頭 30 年里，“我們是一家可以解決幾乎不可能解決的問題的公司”。

他告訴英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》，問題在于，為計(jì)算生物學(xué)和類似領(lǐng)域等研究部門提供服務(wù)所涉及的數(shù)量“很小，每一個(gè)都很少”?！拔覀児镜臉I(yè)務(wù)特點(diǎn)是：'我們解決了零億美元的問題'，”他說(shuō)?！叭缓笸蝗婚g，摩爾定律結(jié)束了。. . 現(xiàn)在我們是‘如果你想成長(zhǎng)’的計(jì)算公司?！?/p>

然而，芯片創(chuàng)新的重點(diǎn)更加狹窄的一個(gè)結(jié)果是，任何突破往往會(huì)受到更熱心的保護(hù)，并且更難轉(zhuǎn)移到更廣闊的市場(chǎng)。

“在整個(gè) 1990 年代和 2000 年代初期，每個(gè)晶體管的成本和構(gòu)建更復(fù)雜芯片的能力對(duì)整個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)基本上是免費(fèi)的，”Khan 說(shuō)?！癧現(xiàn)在] 計(jì)算不再是通用技術(shù)。. . 如果我正在為 AI 優(yōu)化芯片，那可能會(huì)使 GPT 更高效或更強(qiáng)大，但它可能不會(huì)溢出到其他經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域?！?/p>

另一個(gè)關(guān)鍵的創(chuàng)新三角洲是芯片“封裝”。為了創(chuàng)建所謂的“片上系統(tǒng)”，半導(dǎo)體公司不再將每個(gè)組件都打印到同一塊硅片上，而是大談“小芯片”的潛力，這些小芯片允許混合和匹配更小的“構(gòu)建塊” ，在設(shè)計(jì)和組件采購(gòu)方面開辟了新的靈活性。

英特爾將小芯片描述為“在未來(lái)十年及以后擴(kuò)展摩爾定律的關(guān)鍵”，并于去年召集了包括臺(tái)積電、三星、Arm 和高通在內(nèi)的芯片制造商和設(shè)計(jì)師聯(lián)盟，為構(gòu)建這些類似樂高的處理器制定標(biāo)準(zhǔn).

芯片設(shè)計(jì)公司 Arm 的首席架構(gòu)師 Richard Grisenthwaite 表示，與“單片”傳統(tǒng)芯片相比，小芯片的好處之一是公司可以將復(fù)雜且昂貴的處理器與舊的和更便宜的處理器結(jié)合起來(lái)。他警告說(shuō)，訣竅是確保將多個(gè)組件封裝在一起的額外費(fèi)用被使用一些舊的、便宜的部件所節(jié)省的費(fèi)用所抵消。

一道物理題

但是新的想法伴隨著新的障礙。McKinsey 的 Burkacky 說(shuō)，許多這些創(chuàng)新的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是它們傾向于制造更大的芯片，這反過來(lái)會(huì)為缺陷創(chuàng)造更大的表面積。

他說(shuō)：“缺陷通常是一種雜質(zhì)——來(lái)自空氣或落在表面的化學(xué)過程中的顆粒，它會(huì)破壞芯片的功能?！薄靶酒酱?，概率就越高?！?/p>

這可能對(duì)半導(dǎo)體制造商的產(chǎn)量產(chǎn)生致命影響，Burkacky 表示倆女率可能下降至 40% 至 50%，從而使成本高昂的工藝在經(jīng)濟(jì)上更具挑戰(zhàn)性。

更大、更強(qiáng)大的芯片也會(huì)消耗更多的電力，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)產(chǎn)生如此多的熱量，以至于需要完全不同且更耗能的冷卻系統(tǒng)——例如浸入式冷卻——來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳性能。

但據(jù)一些研究人員稱，另一方面，較小的芯片也可能導(dǎo)致可靠性問題。谷歌的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在 2021 年發(fā)表了一篇題為“Cores that don’t count”的論文，此前其數(shù)據(jù)中心工程師注意到他們稱之為埋在其龐大數(shù)據(jù)中心中的芯片的“善變”行為。

“隨著 [芯片] 制造向更小的特征尺寸發(fā)展。. . 我們觀察到在制造測(cè)試期間未檢測(cè)到的短暫計(jì)算錯(cuò)誤，”由 Peter Hochschild 領(lǐng)導(dǎo)的谷歌工程師寫道?！案愀獾氖?，這些失敗通常是‘無(wú)聲的’：唯一的癥狀是計(jì)算錯(cuò)誤?！?/p>

Hochschild 總結(jié)說(shuō)，“根本原因”是“越來(lái)越小的特征尺寸”，越來(lái)越接近硅縮放的極限，再加上“架構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不斷增加”。

“到目前為止，[維持摩爾定律] 是一項(xiàng)工業(yè)化挑戰(zhàn)，”Burkacky 說(shuō)?！拔也幌氲凸肋@一點(diǎn)——這是非常棘手和困難的——但我們正在達(dá)到現(xiàn)在我們談?wù)撐锢韺W(xué)的地步?！?我們正在研究一個(gè)原子。到目前為止，在物理學(xué)中，這就是故事的結(jié)局?！?/p>

有一天，量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)在計(jì)算能力方面實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期承諾的飛躍，類似于 1960 年代開始的硅技術(shù)進(jìn)步。但即使是最樂觀的量子倡導(dǎo)者也承認(rèn)，可能需要十多年才能讓它們用于實(shí)際的日常計(jì)算任務(wù)。

與此同時(shí)，Toon 樂觀地認(rèn)為像 Graphcore 這樣的芯片將能夠開啟新的進(jìn)步。

“我的看法是。. . 我們將建造如此強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，人工智能如此強(qiáng)大，以至于我們能夠真正理解分子是如何工作的，然后我們將開始使用這些人工智能計(jì)算機(jī)來(lái)建造分子計(jì)算機(jī)，”他說(shuō)。

“這種奇點(diǎn)的想法 [當(dāng) AI 超越人類智能時(shí)] 是胡說(shuō)八道，但是您可以使用 AI 來(lái)創(chuàng)造下一個(gè)計(jì)算前沿的想法是非常實(shí)用的?！?/p>