一位教授眼里的半导体未来

自英特尔创始人之一戈登·摩尔宣布“摩尔定律”以来，已经过去了大约 60 年。大约50年来，半导体集成电路上的晶体管数量按照摩尔定律持续呈指数增长。

近年来，摩尔定律已达到极限。然而，即使摩尔定律达到极限，集成电路密度的增加也无法停止。整个社会向数字化转型、物联网的传播以及人工智能的出现。所有这些都需要高度集成的半导体。

如何才能不断提高集成电路的集成度?半导体产业将如何变化?未来半导体产业重要的是什么? 本文采访了东京大学研究生院教授黑田忠宏。

问：近年来，我们经常听到“摩尔定律即将终结”的说法。戈登摩尔在多大程度上预见到摩尔定律可能达到其极限？

黑田忠宏先生（以下简称黑田）：摩尔先生在2003年的一次国际会议上的演讲中断言“（集成电路上晶体管数量的增加）不会永远呈指数级增长。” 不过，他接着表示，推迟指数增长的结束是有可能的。

推迟集成电路晶体管数量指数增长的结束。我相信这就是今天从事半导体研究的研究人员和工程师应该扮演的角色。

问：你认为，社会将从资本密集型、工业化社会演变成知识密集型、以知识为基础的社会。请告诉我们什么是知识社会，以及半导体在知识社会中将扮演什么角色。

黑田东彦：你最近听说过“从事物到服务”和“从商品到服务”这样的词吗？在这个世界中，价值不是存在于物质“事物”中，而是存在于“事物”和“服务”中，换句话说，就是知识中。那是一个以知识为基础的社会。

迄今为止，在工业化社会中，半导体只是零部件。就像螺钉和钉子一样，消费者不知道它被用于最终产品中。这是影子的存在。需要以低价大批量提供标准化零件。

另一方面，在知识社会中，数据是关键。通过使用机器学习处理大量数据，各种使用人工智能的服务正在社会中实施。

物联网需要收集数据。物联网使用内置半导体的设备，例如传感器和通信终端。此外，如果没有半导体，就无法分析收集到的数据。

在向消费者提供使用数据分析的服务时，会使用智能手机等设备。智能手机充满了半导体。

在知识社会中，半导体无处不在。届时，半导体将不再局限于零部件行业。半导体可以成为知识社会的基础设施。

问：与推动二维小型化的摩尔定律相反，你提到了芯片三维集成的“超越摩尔”的重要性。为什么现在需要对芯片进行三维集成？

黑田东彦：由于工艺节点在40nm左右，即使进一步小型化，晶体管的价格也不再下降。

我想如果把它比作大城市里的土地就更容易理解了。在大城市，地价太高，连一栋小平房都建不起。结果，建筑物变得越来越高。

半导体也是如此。虽然小型化本身是可能的，但它并不能降低成本。需要有效利用土地，即面积。就像摩天大楼一样，将集成电路立体向上向上堆叠起来不是更好吗？产生这样的想法是很自然的。

此外，在半导体行业，过去170米、50层的高层建筑将需要在保持高度不变的情况下增加到100层甚至1000层。这将迎来Z轴方向小型化激烈竞争的时代。

问：您多次提到“敏捷”（快速、灵活）是未来半导体芯片发展的一个重要点。

黑田东彦：到目前为止，半导体行业一直关注成本。但那些日子即将结束。

下一个竞争轴是绩效和时间。这里的“时间”是指“我们能够多快将产品推向市场？”

截至 2023 年，人工智能继续加速发展。ChatGPT 上线仅一个多月，用户数量就已突破 1 亿。在这样的时代，即使你花两年时间创造出“最新”的半导体，它仍然是两年前的“最新”。

这就是为什么我们需要敏捷。敏捷是半导体的新价值。

在软件行业，时间已经是一个竞争轴。快速开发，发布到市场，并根据用户反馈进行升级。我相信未来半导体也需要类似的方法。

问：你认为，随着工业化社会向知识社会的转变，半导体需求将从通用芯片转向专用芯片。为什么知识社会对专用芯片的需求不断增加？

黑田东彦：底线是专用芯片是节能的。

能源是目前半导体行业的一个主要问题。人工智能半导体高速计算大量数据。此时，消耗了大量的能量。

通用芯片的设计使得任何人都可以将它们用于任何目的。它很灵活，但尚未优化。

有着“我想用人工智能做点什么”这一明确目标的半导体用户想要一款专门为此目的而优化的专用芯片。专用芯片消除了不必要的性能，因此具有高能效和特定于目标领域的性能。

自2010年代末以来，GAFAM和特斯拉等硅谷主要科技公司都开始开发自己的专用芯片。以前的芯片用户现在正在开发专用芯片供自己使用。

开发一款专用芯片需要两年时间，大约有 200 名工程师共同努力。仅此一项的投资额就约为500亿日元。如果进一步投入制造的话，大概要花费50亿日元、100亿日元。只有拥有雄厚资本的大型科技公司才能获得专用芯片。

有很多人认为，“我想做这种业务或使用人工智能提供服务。” 这些人根本没有资金购买专用芯片。

我们将为他们提供小批量、短交货期的专用芯片，并将继续将新想法落实到社会中。如果我们能做到这一点，新的商业和服务将会在社会上层出不穷。

Rapidus 在日本成立就是为了满足这些需求。

芯片开发以前是100分制，现在应该是80分制。如果你想要80分，五分之一的时间就可以做到。芯片开发可以很快达到80分，但试图从那里达到100分需要大量的时间和成本。

制造半导体最耗时且成本最高的过程是芯片开发。通过实施 80 点芯片开发流程，可以显着减少时间和成本。

然而，可能需要权衡，例如更大的芯片和更高的制造成本。不过考虑到总成本，还可以更便宜。

问：在以量产为常态的半导体行业，我觉得无论怎么降低开发成本，都很难盈利。

黑田东彦：正如您所说，以敏捷的方式小批量生产半导体的想法似乎很难让业内人士接受。然而，我最近发现有些用户非常同意我的想法。

我是一名研究员。

研究世界是非常严格的。如果有一天你落后于世界其他地方，你的研究将永远不会见光。

天文学家、地球科学家、经济学家等都在处理大量数据的学术领域展开竞争。挑战在于计算数据的速度有多快。一些研究人员希望超级计算机配备自己的人工智能功能。

我们生活在一个拥有自己的超级计算机的研究人员可以最快地得出研究结果的时代。

我们目前正在与东京大学校园以及与东京大学合作的 RIKEN 的研究人员合作，开发满足每个人需求的专用芯片。

最终，拥有使用专用芯片进行研究经验的学生将进入劳动力市场。他们将把使用专用芯片的研究方法带入工业界。通过这种方式，我希望对敏捷、专用芯片的需求将逐渐渗透到工业界。