“预测摩尔定律死亡的人每两年翻一番”
2018年是英特尔悲哀的一年。就在公司50周年大庆前一个月，挤了五年牙膏的CEO柯再奇因桃色事件辞职。
外界猜测，这只是董事会找的一个小借口干掉他，因为本身这个恋情微不足道。
最关键的是，柯再奇简直就是摩尔定律的反义词。在他任内，从14nm到14nm+++尴尬无比。而摩尔定律就是英特尔的基本法。
2018年，在半导体制程技术上曾遥遥领先半个世纪的英特尔被台积电反超。老陪衬AMD的RyZen居然在也迎头赶上。
Nvidia的黄仁勋说，摩尔定律已经死啦。一代巨擎Risc先驱David Patterson也说摩尔定律死了。
这几乎等于说，英特尔存在的意义消失了。一个科技界的指路明灯变成了一个普通的赚钱机器。
一、
如果单看英特尔的财报，总体来说还是不错的。虽然在新产品上捉襟见肘，但是搭着云计算强劲的东风，英特尔的CPU还是供不应求。
如果时光倒流到十多年前，英特尔一定后悔两次拒绝苹果的日子。因为苹果培养了它的两大对手：三星和台积电。
在iPhone第一代发布前一年，英特尔拒绝了为乔布斯提供手机CPU并卖掉了自己的ARM分部XScale。苹果选择了三星。
2012-2013年，苹果为了去三星化寻求iPhone 5s的A7处理器代工厂。传闻中的候选人英特尔却没有接，台积电当时也没准备好接这么大的单子。
又在三星忍了一年的苹果，砸巨资投向台积电，终于实现了20nm A8的量产。当年英特尔已经开始量产14nm，领先台积电1-1.5代。苹果对CPU性能的图腾式要求倒逼了台积电的一路狂奔。
半导体先进制程需要太多资金的投入，苹果这个大客户的驱动终于给台积电井喷的动力，并在7nm站到巅峰。而格芯很明显是先进制程客户太少，导致没有钱继续军备竞赛。
二、
事后诸葛亮是没有意义的，错误谁都犯过：乔布斯当年也清仓过ARM的股票，微软也清仓过苹果的股票。
我们八卦了半天，还是要回到摩尔定律这个话题。
在英特尔灯塔暗淡的同时，大洋彼岸的比利时小镇鲁汶则熠熠生辉。下图是IMEC最新路线图，1nm已经正式出场。其实IMEC数年前就对此坚信不疑，而英特尔的Roadmap早就沦为平庸。
（Photo Credit: IMEC）
IMEC是尖端技术回归欧洲的一个象征。作为ASML的铁杆盟友并部署了最新NXE3400系列EUV的半导体研究重镇，IMEC也是High NA EUV的原型机联合研发合作伙伴。因此IMEC是最有底气说，它在真机上实现了1~3nm技术。
下图是ASML的路线图。由于High NA EUV已经设计完成，所以从光刻角度认为至少未来十年摩尔定律还在掌握之中。
下图是High NA超净室里的巨型光学测量真空仓和巨大的EUV反射镜机械手。
IMEC认为，超越5nm以后，晶体管Cell的模式可能是各种形状的FET管子。
有没有越来越像乐高积木的感觉，接下来粗浅解释一下一些基础知识。
首先，有人会质疑道：原子直径才0.1nm(1 Å)，怎么可能把这么复杂的晶体管做到1nm。
确实如此。目前所谓制程技术或技术节点多少nm，并不是晶体管做到这么小了。
早期晶体管的缩小都是类似二维的，为了达到摩尔定律，长宽各缩小到0.7倍则面积缩小近一半(0.7x0.7=0.5)。传统ITRS定义技术节点是最小金属间距(MMP，即下图蓝色那根)的一半。但到了20/22nm引入FinFET以后，MMP的减少开始变得很慢，但是因为3D化后晶体管数量仍旧激增，厂商再用1/2MMP就显示不出来技术进步了。因此各家的命名就开始乱了起来：
20nm x0.7=14nm，所以新一代叫14nm
14nm x0.7=9.8nm, 所以再新一代叫10nm
7nm x0.7=4.9nm, 所以再下一代叫5nm
（请注意，上面这些0.7并未真正物理出现，只是假想如果二维缩小0.7而已。实际上看下图台积电10nm到7nm，MMP距离只是从42/44nm降到40nm）
从上图看，英特尔的10nm和台积电的7nm平面基础尺寸是近似的。为了对比技术差距，单位面积的晶体管数成为一个好方法。据分析数据，两者每平方毫米都是一亿个晶体管左右。但台积电早已量产(麒麟980/990，A12/A13，AMD Ryzen 3000等)，但英特尔多年还是搞不定良率问题。
有专家猜测，英特尔10nm碰到的问题可能和它家激进地把导体从铜全面转到钴有关，而台积电和三星仍然用铜或镀钴。铜是很好的导体，但有个很讨厌的特性，就是在纳米尺度电阻会激增。
下图是很漂亮的示意图，图中铜颜色那个就是铜。实际的芯片里这些金属层可以有12层之多，把最底下的晶体管互联起来形成电路。
这就是最微观层面搭建的宏伟大厦。想想看，这是在芝麻大的空间里，上亿个晶体管上面复杂搭建了上亿根铜筋的混凝土建筑。
金属钌是替代铜的另一个选择。而在晶体管材料上，硅锗合金和拥有更佳电性能的铟、镓和砷化物也在被深度考虑或已应用。
下图很好地展示了在半导体发展历程中，人类绞尽脑汁使用了元素周期表上的各种可能。这还不包括各种化合物。
看到这种精神，你认为让科技精英们直接放弃摩尔定律，会那么容易吗？
5nm制程基本上还是会用已经成熟的FinFET架构，FinFET比平面Planar更大的电流和更快的开关速度足够支撑到5nm。只是光刻必须要用到EUV，否则掩模的层数要多到失控了。
目前各家的3nm方案都是更加立体的FET，nanosheet和nanowire等统称为GAA(Gate all around)。“到处都是闸门”，这个名字显示了这些小乐高晶体管的诡异模样。它们还包括了碳纳米管等各种复杂的材料。
IMEC目前笃信CFET将是打开1nm大门的钥匙，到那时各厂市场部宣传的单位将是埃米而不是纳米。
虽然这些技术都在实验室实现了，但是距离量产还有数不清的险阻。但最大的障碍是：钱。
目前开发一款7nm芯片的成本是3亿美元，5nm预测是5亿美元，而3nm很可能到10亿美元。
这时，可怕的摩尔第二定律也闪现了威力：“新晶圆厂的成本每两年翻一番”。
目前新7nm工厂是150亿美元，那么5nm工厂将需要投资300亿美元，3nm则理论上是600亿美元。
正是因为各种不确定性或各种悲观，否定摩尔定律的声音越来越多。确实，对于目前硅架构存在量子隧穿效应极限。
不过，可行的方法不仅只有继续缩小晶体管的尺寸，还包括做多层晶体管的方案和叠加晶圆的方案等。
英特尔也在试图改进处理器架构的方法来实现另类摩尔定律，因为我们的最终目的是为了实现单位芯片面积计算力的每年提高。早期CPU性能是靠提高主频实现的，但后来英特尔的Core架构和AMD的Zen架构都成功实现了主频不变算力的突破，所以这个思路一定还有突破空间。
从目前情况看，至少未来十年人类还有充足的技术手段继续倍增芯片性能。再往后，也许量子计算真的会到来？
