摩尔定律束缚下,国产芯片替代的危与机
“碳基芯片”研发成功,中国“芯”换道超车,不再依赖高端光刻机
集成电路在我们的应用中非常广泛,它让我们的设备变得更加轻便化,体积也越来越小,就拿我们经常用的手机来说,从以前的“大哥大”,到现在的手持式智能手机,这些都得力于集成化电路的发展。它可以用1平方厘米大小的芯片装下以前需要一平方米才能完成的电路
说到芯片,人们自然而然会联想到摩尔定律。从某种层面来说,正是摩尔定律的提出,才使得信息技术产业在50年内高速发展,也使得芯片应用越来越广泛,让人们的生活更加便捷、丰富,芯片与人类的关系越来越紧密,以致于很难想象缺少了芯片的世界会是什么样的。
摩尔定律的诞生
1964年,“八位仙童”之一的摩尔博士时任仙童半导体公司的研发主管,他受《电子学》杂志的邀请,为他们1965年4月刊撰写探讨未来集成电路发展的文章,在这篇3页纸的短文中,摩尔探讨了半导体行业中晶体管小型化的趋势,并对集成电路上晶体管数量的增长做出预测,认为能被集成的晶体管数量将按几何级数快速增长,至少10年内每年都能翻番。
1975年,摩尔根据行业的发展,把预测改为每两年翻一番,后来又经过行业对摩尔定律的实践,对该定律进行了休整,到如今摩尔定律的完整定义为:
当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数量,每18-24个月会增加一倍,性能也将增加一倍,换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。
摩尔定律的驱动力
摩尔定律被集成电路的发展所验证,受到行业的广泛认同,成为了驱动信息技术产业发展的“第一定律”,微处理器性能、内存容量、传感器等都沿着摩尔定律所指出的路径发展,几乎所有的公司都在为实现摩尔定律而努力奋斗。
因为行业对摩尔定律的高度认同,信息技术产业从诞生之初到现在,就一直处在激烈的竞争环境之中,落后就要挨打,任何一个技术发展赶不上摩尔定律要求的公司,都将会被淘汰,对大企业也是一样,比如摩托罗拉、德州仪器等都在竞争中失败过,哪怕行业龙头英特尔,也在2000年推出奔腾4处理器不及预期,吃过败仗。
在摩尔定律的驱动下,每一次芯片制程工艺面临瓶颈之时,都被创新企业的新技术、新工艺所打破,使得摩尔定律得到继续延续,而寻找突破摩尔定律极限的过程也是全球半导体发展的过程,摩尔定律引导了半导体行业的发展,使之更有序、更有计划地前进,同时半导体的高速发展也成就了摩尔定律。
摩尔定律最初不过是摩尔博士对集成电路增长速度的预测,但到如今,摩尔定律的意义已经远超预测本身,成为行业发展的指导方针,和无数半导体从业人员奋斗的目标。
摩尔定律使消费者受益
摩尔定律推动信息技术产业的发展,受益的是消费者,意味着随着时间推移,花同样的钱可以买到性能更好的产品。
我有过一台2012年产当时值4000多的电脑,目前还能使用,只不过使用win10系统经常“卡死了”,我咨询过一位电脑维修的朋友,如果完好无损还能值300元,如果当废品只值50元;我还有一台2018产的电脑,同样也是4000多,到现在我去查价格,同型号配置全面升级,CPU、内存、固态硬盘跟以前已经不能比了,价格还便宜几百块。
手机也是一样,10年前512M的运行内存已经非常大了,现在4G都感觉小,游戏一般几个G,社交软件也在1-2G左右,在以前是不敢想象的。这就是摩尔定律推动下,电子产品快速迭代的巨大变化,使得人们的生活更加丰富,体验更好。
逼出来的潜力,国产芯片原材料突破!芯片成本将大幅降低
在国产芯片危难之际,中国企业在半导体材料上实现了新的突破,达到国际先进水平。 在美国针对华为的两轮制裁下,华为暂时也没有太好的办法,除了及时备货,就是要求供应商转移工厂到中国,或其它方式绕开管制。关键时候,国产芯片原材料实现了大突破。新美光
国产替代面前的两座大山
摩尔定律使得半导体发展目标更加明确,行业竞争非常激烈,为了快速迭代,推出更多快好省的产品,国外的半导体公司削尖了脑袋往前推,行业在高速发展,淘汰了大量企业之后,形成了英特尔+微软,ARM+安卓的软硬件生态系统,使得行业壁垒越来越高,新进者生存空间越来越小,国产芯片在技术上与国外本就存在代差,想要在快速迭代中搅局,难度可想而知。
我国芯片产业早期尝试过自主研发,走技工贸的发展路线,但在当时因为种种原因,最终还是选择了贸工技的路线先发展起来,所以国内所能看到的电脑、手机品牌,其实更多是零部件的整合厂商,将核心部件买回来,工厂组装调试,然后贴牌销售。
缘何如此?一方面,国外芯片技术起步早,又在摩尔定律的推动下快速迭代,国产芯片只能跟随别人的脚步发展,充当追随者的角色,但始终都在别人的后面,所以说推出的产品,推出即落后,同样的价格,你的芯片能耗大,效率低,成本还高,是没有市场竞争力的,如果一个产品没有市场,生存的空间都没有,何以实现超越?
另一方面,还在于软硬件生态打造的问题,老实说,如今国产CPU的性能与英特尔、AMD的性能差距已经很小了,龙芯中科最新款处理器3A4000,已经能达到AMD相同制程工艺的水平,但为什么市面上还是看不到带有龙芯CPU的电脑呢?
主要原因就在于软硬件生态,光有CPU是不够的,显卡、内存都得实现国产化,要有人来做才行,除此之外还要有操作系统,软硬件都有了也不行,还要有海量应用软件,发挥电脑的性能,这就需要构建一个庞大的生态,这也是国产芯片发展中所面临的的另一个阻碍。
综合以上两方面因素,国外半导体在摩尔定律的鞭笞之下,削减了脑袋往前跑,国产芯片在落后几个世代(制程工艺)的情况下追赶,难度很大;另外,打破现有的软硬件生态,构建自己的生态也需要时间,这是摆在国产替代面前的两座大山。
国产替代之路
当初微软把操作系统等应用软件越做越大,越来越慢,如果不更新电脑,很多新软件都无法使用,微软每一次新操作系统的发布,都带动了硬件厂商的利好,随之英特尔不断研发出的更加高速的处理器芯片才派上用场。
英特尔与微软的配合,不仅推动了技术创新,也创造了消费需求,是良性循环,借用别人的经验,国产芯片要突出重围,同样要加强合作,各自为战肯定是不行的,用英特尔前首席执行官的话来说:“针对竞争危机的来源,通过协同努力来共建平衡生态,才能在急速变化的环境中立于不败之地”。
国产芯片并非无弯道超车的机会,近几年来摩尔定律放缓,遇到了技术瓶颈期,对国产芯片来说是一件好事,在上文中提到,摩尔定律每次得以延续都离不开新技术和新工艺,只有创新企业才能活下去,无论大小,而创新对新进者还是在场内者都是公平的,革命性的新技术不一定来自大企业,更有可能来自中小企业。
美国制裁中兴、华为等一众国内科技企业之后,已让我们深深意识到只有自主研发这条路走得通,限制与制裁如同摩尔定律一样,鞭笞着我们要创新、要自研,短期肯定有阵痛,但长期并非是坏事,在本就竞争激烈、靠创新驱动的信息技术产业,无论公司有多大,都没有永远的老大,鹿死谁手未可知。
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