摩爾定律是什麼?半導體產業未來怎麼超越晶片極限?

摩爾定律是什麼?半導體產業如何超越晶片極限?

談到半導體三個字,不可能沒聽過「摩爾定律(Moore's Law)」。本篇文章介紹什麼是摩爾定律、它如何影響並牽動整體科技產業,以及摩爾定律可能遇到的挑戰、未來發展等,也會分享和摩爾定律發展有關的前沿科技技術、相關人才趨勢,和產業新興職缺,帶你了解台積電、英特爾、NVIDIA 等大廠的佈局。如果你對半導體晶片的革新感興趣,以下資訊別錯過了!

一、摩爾定律是什麼?如何影響科技業至今?

摩爾定律是由英特爾(Intel)共同創始人 Gordon Moore 於 1965 年提出,摩爾定律預測指出,積體電路上可容納的電晶體數量大約每兩年翻一倍,且成本相對恆定。

問世 60 年,摩爾定律雖然名字中有定律二字,但卻不是科學定律,而是一個持續了半個多世紀的觀察和預測,更是半導體產業發展的基石。

摩爾定律不僅準確預測了半導體產業的演進,更加速了整體科技領域的發展。在過去的半個多世紀中,摩爾定律引領這幾大方面的革命:

  • 個人電腦革命:摩爾定律使晶片成本不斷下降,性能不斷提升,進而推動了個人電腦的普及,甚至見證 AI PC 的誕生。
  • 行動裝置革命:摩爾定律使晶片尺寸縮小、功耗降低,裝置變得更小的智慧手機和平板電腦得以裝載更多功能,同時保持輕巧和長效的電池壽命。
  • 雲端運算革命:摩爾定律使資料中心以更低成本達成更強大的運算能力,讓用戶可以從世界上任何角落存取資料和應用程式,也加速了大數據分析、機器學習和網路應用的發展。
  • 人工智慧革命:摩爾定律使 AI 演算法不斷突破,能夠執行曾經被認為不可能的任務,像是現今的生成式 AI,可以輕鬆將文字轉為圖片、將文字轉為影像等,並且更廣泛被應用至各行各業中。
  • VR、AR 與 MR:蘋果 Apple Vision Pro 在 2023 年蘋果開發者大會 WWDC 上正式發表,讓各界重燃對 VR、AR 與 MR 甚至是元宇宙(Metaverse)的討論。由於這些技術依靠強大的處理器和顯示卡為用戶創造身歷其境的體驗,因此摩爾定律的推動也讓相關的設備變得更加經濟實惠。
  • 自駕車:自駕車方面,摩爾定律的效應讓自駕車的感知、決策和控制系統的性能不斷提升,成本卻不斷下降,使自駕車上的感測器、電腦、軟體等方面都有所突破。

摩爾定律的極限挑戰

然而,摩爾定律也面臨一些挑戰,例如晶片製造的物理限制和成本考量。

在物理限制方面,隨著晶片製程的進步,晶體管的尺寸已經接近了物理極限。根據量子力學原理,當晶體管的尺寸達到奈米級別時,會出現量子效應,導致晶體管的性能和穩定性下降。

量子效應對晶體管的影響,包括例如量子效應會導致晶體管的閘極對電流的控制能力下降,導致漏電流增加,閾值電壓降低則造成晶體管更易受到噪聲的影響。

在成本考量上,隨著製程的進步,晶片製造的成本也越來越高。舉例來說,目前台積電的 2 奈米晶圓就比 3 奈米製程晶圓貴了 50%,單片成本就將近百萬新台幣。

半導體業界如何應對

為了應對這些挑戰,半導體產業正在積極探索以下幾個方面的技術突破。例如「3D IC 堆疊」技術透過將多層晶片堆疊在一起,增加晶片的晶體管數量;業界也在探索「新型半導體材料」,以提高晶體管的性能和穩定性等。

為了應對摩爾定律挑戰,半導體產業正在積極探索多個方面的技術突破
為了應對摩爾定律挑戰,半導體產業正在積極探索多個方面的技術突破

除了技術面的突破之外,各個半導體產業龍頭也紛紛採取行動,致力於延續摩爾定律。像台灣半導體大廠台積電早在 2019 年就明確指出,摩爾定律並未消亡,台積電仍有很多方法延續摩爾定律。

當時台積電先進製程 5 奈米才確定要在 2020 年量產,但卻已經預測 3 奈米、2 奈米的量產時間。台積電透露的量產方法就包括了透過先進封裝實現的系統及密度,或者使用 2D 材料取代矽晶作為通道製成的晶體、堆疊多層晶體管在單一 3D 積體電路上讓擁有記憶夾層的 GPU 取代 CPU 等。

另外,使用類似手法延續摩爾定律還有國外大廠 IBM 攜手東京電子(TEL),同樣使用 3D 晶片堆疊方法生產晶圓。

英特爾則透過創新架構 RibbonFET 來推進摩爾定律。該架構可以用相同的驅動電流和較小的佔地面積提供更快的電晶體開關速度。同時,英特爾也推出業界第一個背面供電架構 PowerVia 以提高效能,並使用新一代極紫外線。

針對摩爾定律議題,NVIDIA CEO 黃仁勳也曾表示,雖然摩爾定律的「基礎動能」已經結束了,但他相信 AI 的力量仍可大幅拉升晶片效能。2024 年 NVIDIA 開發者大會 GTC 上,NVIDIA 也宣布與台積電、新思科技(Synopsys)等公司合作,運用 NVIDIA 的運算式微影平台投入生產,加速製造並且突破下一代先進半導體晶片的物理極限,對此黃仁勳指出,運算式微影是晶片製造的基石,開拓半導體微縮的新領域。

三、摩爾定律未來:半導體人才找工作必知新興職缺

為了讓摩爾定律延續和突破,業界對半導體晶片人才也提出了新的需求,不少世界頂尖企業都在海內外積極招攬優秀人才,以符合新科技與 AI 等新需求。

舉例來說,英特爾開始招募 3D IC 工程師職缺,正是業界對半導體人才新需求的表現。3D IC 工程師需要與領域專家合作,實現 3D IC 異質整合創新,從系統到晶片的整體協同優化,並且建立跨細分市場的 3D IC 原型等, 而目前 3D IC 工程師的年薪範圍從 14.5 萬到 21.7 萬美元不等。

為了讓摩爾定律延續和突破,企業在海內外積極招攬優秀人才,以符合新科技與 AI 等新需求
為了讓摩爾定律延續和突破,企業在海內外積極招攬優秀人才,以符合新科技與 AI 等新需求

另外在計算神經科學(Computational Neuroscience)方面,由於其研究有助於促進類腦晶片的開發,可為半導體產業提供新的發展方向,使得這類跨領域人才變得相當搶手。例如 IBM 2023 年發布了一款零件特殊設計的類腦晶片,模仿人腦類似的運作方式,在消耗少量能源的條件下實現卓越的性能。

總結來說,摩爾定律是世界公認半導體產業發展的基石,也是推動科技進步的重要力量。儘管摩爾定律面臨著一些挑戰,但半導體產業正在積極探索技術突破,以延續摩爾定律的生命力,從上述例子來看,未來摩爾定律顯然仍將是科技產業發展的重要驅動力。

延伸閱讀: 半導體晶片解密:關鍵技術、供應鏈全貌、人才求職 7 大技能一次看

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