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「晶体管」芯片行业的困境( 三 )

「晶体管」芯片行业的困境
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图3:每个节点的芯片设计成本
随着半导体复杂性的增加 ， 对高端人才的需求推动了设计和制造成本的超支 。 通过将半导体研发支出除以高技能工人的工资来衡量 ， 研究人员的有效人数从1971年到2015年增长了18倍 。 换言之 ， 摩尔定律要求2015年的人类研究工作量是1971年的18倍 ， 每年增长7% 。
每个晶体管的总体设计和制造成本可能是衡量晶体管密度改进是否经济的最佳指标 。 这个成本在历史上每年下降了20-30%左右 。 一些分析师称 ， 这种下降已经超过了2011年引入的28nm节点 ， 而其他人则不同意 。
半导体市场的增长速度已经超过了世界经济的3% 。 目前 ， 半导体行业占全球经济产出的0.5% 。 部分由于美国和中国之间的贸易战争 ， 半导体市场在2019年缩水 ， 然而 ， 它典型地呈现出逐年锯齿状的增长轨迹 ， 因此多年的放缓更能表明长期增长的放缓 。
每个节点的芯片生产
鉴于芯片生产的技术和经济挑战 ， 新节点的引入比过去更慢 。 摩尔定律的标准承担者英特尔确实减慢了节点的引入 。 台积电在其前任产品推出两年后推出了32和22 nm节点 ， 这与摩尔定律保持一致 ， 但在22 nm推出三年后又推出了14 nm ， 而14 nm节点芯片之后又推出了10 nm 。 然而 ， 领先的代工服务供应商台积电(TSMC)并没有放缓节点的推出 。
领先的节点芯片销量的趋势并不意味着新节点的采用会大幅放缓 。 从2002年到2016年 ， 台积电的领先节点稳定地代表了其约20%的收入 。 2016年和2018年分别引入的台积电10nm和7nm节点也分别达到了25%和35% ， 如图4所示 。
台积电新节点的稳定销售率（尽管比2000年代初期要慢）可能掩盖了整个代工服务市场正在减缓采用这一事实 。 在过去的十年中 ， 台积电控制了全球约一半的晶圆代工市场份额 。 生产成本的上升正在减少领先节点的公司数量 。 例如 ， 在此期间 ， Global Foundries因无法前进到14 nm以上而退出 。 如果这种趋势伴随着当前领先节点的晶圆厂产能低于以前领先节点的晶圆厂产能 ， 则表明摩尔定律正在放缓 。
「晶体管」芯片行业的困境
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图4：TSMC引入和采用新节点的速度保持稳定
出于几个原因 ， 晶圆厂仍然在图4所示的旧节点上制造芯片 。 晶圆厂在建造领先晶圆厂或将旧晶圆厂升级为在较新节点制造晶片时 ， 会产生巨大成本 ， 因此不可能立即将世界晶圆厂产能转移至领先节点 。 相反 ， 工厂继续以较低的价格出售旧节点 ， 特别是向以购买成本为主要标准的客户出售旧节点 。 其中许多客户可能不太关心效率 ， 因为他们的应用程序不是计算密集型的 。 类似地 ， 它们的应用程序可能不需要很快的速度 ， 或者在旧芯片上以足够快的速度完成计算 。 此外 ， 一些专门的低容量产品（如模拟芯片）需要后续节点来保持成本效益 。
摩尔定律变慢时芯片的改进
随着摩尔定律(Moore’s Law)的放缓 ， 芯片在两方面继续改进:一是更小晶体管的效率和速度的提高 ， 二是利用更小晶体管尺寸所支持的更大数量晶体管的先进芯片设计的效率和速度的提高 。 这些先进的设计包括在一个芯片上封装更专业的核心的能力 。
幸运的是 ， 一些速度和效率的改进仍然是可用的 ， 但是有相当大的技术挑战 。 大约在2004年 ， 当达到65nm节点时 ， 晶体管密度的改善在降低晶体管功耗和提高晶体管开关速度(频率缩放)方面变慢 。 尽管如此 ， 晶圆厂报告称 ， 晶体管级别的创新 ， 而非设计级别的创新 ， 将继续提供节点与节点之间一致(尽管速度较慢)的改进 。
台积电和三星声称 ， 他们的5nm节点芯片在功率保持不变的情况下 ， 其7nm节点芯片的晶体管速度分别提高了15%和10% ， 而在晶体管速度保持不变的情况下 ， 其功耗降低了30%和20% 。 图5和图6显示了台积电所声称的在90nm和5nm之间的恒定效率下的节点到节点晶体管速度改善的下降趋势 ， 但是在台积电所声称的晶体管功率降低改善的下降趋势是平缓的 。


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