2009年，芯片行业知道自己遇到了问题。时任台湾积体电路制造股份有限公司研发部主任的蒋锡培，认为自己能有一个解决办法。他向老板、台积电创始人张忠谋建议，与其在逐渐变小的芯片上挤压更多的晶体管，不如探索芯片制造工艺中不那么先进的部分，具体来说就是芯片封装。
蒋锡培告诉《日经亚洲》，我告诉张忠谋董事长，由于摩尔定律在未来几年可能会放缓，我们可能想尝试其他能继续提高芯片计算性能的方法。
摩尔定律由英特尔联合创始人戈登-摩尔于1965年首次提出，认为芯片上的晶体管数量每年大约会翻一番，从而使计算机芯片的性能随着时间的推移呈指数级增长。1975年，这一定律被修订为每两年翻一番。
第一批晶体管是控制电流流经芯片的重要元件，长度为一厘米，但到了20世纪50年代，它们的单位是毫米。如今，业界使用的单位是纳米，人类DNA链的直径为2.5纳米。现在，一个芯片就拥有数十亿个晶体管。
摩尔斯定律影响了芯片行业数十年的发展，芯片在微型化方面的长足进步，推动了从个人电脑、智能手机到人工智能等整个行业的发展。即使是微不足道的效率提升，也能极大地提高计算任务的复杂性。例如，大多数专家认为，仍处于萌芽阶段的生成式人工智能领域所需的计算能力，只有使用4纳米或更小的芯片才能实现。
台积电、美国英特尔公司和韩国三星公司等少数几家公司竞相制造越来越小、越来越快的芯片，每年花费数十亿美元将摩尔定律推向极限。通过这种方式，它们积累了超过竞争对手的巨大领先优势，形成了实质上的两级产业，顶级企业竞相要在2025年前生产出2纳米芯片。与此同时，落后者，如中国芯片制造商，一直在努力保持竞争优势，尤其是在美国于2019年宣布并在此后数次进一步收紧出口管制之后。
但是，晶体管的缩小是否有极限，在指甲盖大小的芯片中究竟能装入多少晶体管？蒋和许多业内人士一样，长期以来一直担心摩尔定律最终会走向终结。
蒋告诉《日经亚洲》，如果摩尔定律真的达到极限，会给半导体行业带来巨大冲击。
他补充说，如果没有新的解决方案，20年后芯片业最终可能会成为传统产业，而不是现在的高科技产业。
芯片是否会像钢铁和塑料行业一样完全商品化仍是一个争论不休的问题，但蒋在2009年观察到的摩尔定律放缓已经对该行业和地缘政治产生了深远影响。
他说，这种放缓可能会给那些在芯片竞争中落后的国家（如中国）提供迎头赶上的机会。
迎头赶上
已经有迹象表明，蒋的预测正在逐渐成为现实，其中一个最大的证据，就是领先者和落后者之间的差距正在缩小。
要想跑得比队伍中最快的那个人更快，难度很大。加拿大研究公司Tech Insights副董事长、行业资深人士丹-胡奇森说，但一旦最快的那个跑不快了，其他人就会追上来。在芯片竞赛中，领先者经不起绊倒，哪怕只是一次。
根据《日经亚洲》的分析，英特尔与中国最大的芯片制造商中芯国际集成电路制造有限公司之间的技术差距，比以往任何时候都要小。
虽然这部分是由于中国决心在美国出口限制的情况下提高芯片能力，但这也是长期以来人们担心的行业领头羊尖端创新放缓的结果。
美国巨头英特尔过去至少领先中国对手四五年，相当于芯片制造领域的两代人。现在，它的领先优势约为三年，即一代半。
知情人士透露，在其顶级客户，中国领先的科技企业集团华为的帮助下，中芯国际的目标是推动芯片生产超越目前的7纳米技术，这是中国公司目前提供的最先进技术，同时还要向5纳米芯片迈进。
台积电和三星目前正在生产3纳米芯片，而英特尔已达到5纳米水平。三家公司都在争取到2025年生产出2纳米芯片。
纳米在技术上是指晶体管的栅极宽度。更小的栅极可以在相同的面积上挤出更多的晶体管，从而实现更强大的处理器。
但是，栅极再小也是有限度的，过不了多久就不可能再进一步缩小。因此，各家公司提出了新的芯片架构，并开始使用新材料，似乎是在挑战物理学。
早在2012年，英特尔就率先将其晶体管从大多数传统芯片仍广泛使用的二维结构转换为三维结构，并将其命名为Fin FET。台积电和三星也很快就开始跟进。
现在，这些芯片巨头正盯上一种更复杂的晶体管结构，即所谓的"全能门"（Gate-all-around），以便在同样微小的表面积上挤出更多的计算能力。
但是，这样的创新正变得越来越昂贵。
台积电、英特尔和三星电子在2022年的资本支出总和超过970亿美元，是欧盟计划在未来十年促进该集团芯片产业发展的支出的两倍多。
业内资深人士、美国芯片咨询公司首席执行官汉德尔-琼斯告诉《日经亚洲》。过去，台积电每两年推出一次新技术，现在是每三年推出一次，未来可能会更长。
行业高管和分析师对此表示赞同：摩尔定律步伐的放缓，给了中芯国际这样的落后企业一个千载难逢的机会，缩小与全球领先企业的差距。
顶级工程研究机构中国工程院的吴汉明说：在后摩尔定律时代，芯片性能的增长已经放缓，业界正在寻找新的技术方向，以进一步提高芯片性能。
这对于多年来一直处于追赶状态的中国来说，是一个很好的机遇。
新的竞争环境
早在2009年，台积电就开始认真探索芯片小型化的替代方案，蒋锡培建议将封装作为提高性能的替代方法。
芯片封装曾一度几乎被视为行业的"事后诸葛亮"，只是一种保护集成电路的方法。它在技术上的要求远低于芯片制造，而且，在性能上的改进似乎也不如增加晶体管数量。
但是，蒋锡培意识到，以新颖的方式连接内存和处理器等不同类型的芯片，可以带来巨大的改进。2009年，他说服台积电创始人张忠谋支持他的封装计划，并获得了1亿美元的预算和400人的团队来实现这一目标。
然而，成功并没有立即到来。
蒋回忆说，最初两年，没有芯片客户愿意尝试这种新技术，因为与传统封装相比，这种技术太昂贵了。他告诉《日经亚洲》，台积电的一些高管甚至嘲笑我，说我的提案变成了每月只能生产50个晶圆的业务。
现在很少有人再笑我了。
芯片封装，现已被公认为世界顶级芯片制造商的最新战场。
今年，英特尔40年来首次重新设计了其旗舰PC芯片组的架构，以利用先进的封装技术。负责中央处理、人工智能计算、图形和数据传输接口的四块芯片被整合到一块芯片中，并将于本周晚些时候发布。
英伟达的H100芯片组是OpenAIs流行的ChatGPT背后的动力源，它是这一趋势的缩影。它的集成设计直接连接了一个图形处理器和六个高带宽内存芯片，并采用了台积电提供的先进封装技术。
2021年，英特尔和台积电等行业巨头开始了有史以来最大规模的芯片封装扩张，承诺对该技术进行总价值超过200亿美元的多年期投资。就连美国政府也开始关注，除了520亿美元的半导体补贴外，还额外拨款30亿美元用于芯片封装研究。
据研究机构IDC预计，到2028年，新型芯片封装的市场规模，可能会从今年的437亿美元增至743亿美元。
在晶圆上堆叠多个芯片的先进芯片封装市场增长尤为迅速。
欧洲领先的芯片制造商恩智浦半导体首席技术官拉尔斯-雷格告诉《日经亚洲》，在数字计算领域，封装可能会取代许多创新。他说："让我们把所有这些芯片像煎饼一样叠起来，从三个维度堆叠一个5纳米芯片，再在上面堆叠另一个芯片，这样就形成了一个封装”。
中国的机会来了？
在中国，由于美国制裁的影响，芯片制造商无法获得先进的芯片设备，摩尔斯定律使中国的芯片生产更加缓慢。
一般来说，芯片封装对技术的要求低于制造，因此进入和发展的门槛较低。
英伟达和AMD芯片基板供应商景硕联网科技公司的一位高管告诉《日经亚洲》，先进的封装不需要非常精细、复杂的设备，而且可以利用先进的封装技术将7纳米的性能提高到5纳米甚至3纳米。因此，从某种意义上说，摩尔定律的放缓，正是中国芯片制造商缩小与领先者差距的好时机。
芯片设备制造商Nova技术公司总裁马大伟说，芯片封装的出现对中国来说是一个潜在的利好。他说，如果未来先进的芯片封装成为主旋律，当然会为中国提供另一条捷径。
捷径
中国已向中芯国际和华为等公司投资数十亿美元，试图将其芯片产业提升到英特尔、台积电和三星的水平。对中国政府来说，在这一领域取得成功不仅关系到经济安全，而且关系到民族自豪感。
被美国列入黑名单的中芯国际正在进行有史以来最大规模的扩张，根据其财务报表，从2020年到2023年，它将投资240亿美元用于资本支出，超过同期的总收入。
直接了解中芯国际计划的两家芯片供应商告诉《日经亚洲》，尽管获得先进设备的机会有限，但中芯国际仍致力于实现5纳米甚至3纳米芯片生产，其联席首席执行官梁梦松领导着一支专门的研发团队。
与此同时，华为也表现出了在美国打压下生存的决心，自2019年被美国政府列入黑名单以来，华为在短短四年时间里累计研发支出达到近5800亿元人民币。其芯片部门海思将5纳米芯片的生产外包给台积电，与苹果和英伟达相抗衡，之后在2019-2020年国际供应商的准入被切断。
Counterpoint Research的技术分析师Brady Wang说，华为在设计与苹果和英伟达一样先进的芯片方面有着良好的记录。华为是中国芯片技术进步的关键力量。
由于无法获得只有国外才有的先进制造技术，华为的芯片雄心动摇了。但是，华为与中芯国际的合作实现了惊人的逆袭：5G智能手机移动芯片在今年亮相时，震撼了许多美国政策制定者。
这种卷土重来的势头，延伸到了人工智能领域，华为自主研发的人工智能加速器有可能挑战英伟达在中国的主导地位。这种威胁之大，足以让英伟达首席执行官黄仁勋称华为是一个"非常可怕"的对手。
芯片封装也在中国的国家推进计划中扮演着明确的角色。早在2016年，中国的"十三五"规划就表明，中国国家支持的芯片行业，已经认识到摩尔定律可能会结束或放缓：文件指出，中国"必须在后摩尔定律时代加快芯片发展，包括提升芯片制造和芯片封装水平"。当中国领先的科技公司成为美国的目标时，这些努力得到了进一步的推动。
中国科技部高级官员邱刚在2022年10月表示：在国与国之间的激烈竞争中，中国的集成电路封装创新应该走在前列。
华为是中国先进芯片封装的主要用户，其驱动力是致力于构建更强大的人工智能计算系统，华为于2018年开始研发该系统。华为轮值董事长兼首席财务官孟晚舟表示，这些系统将为中国提供坚实的计算后盾，并为世界提供替代选择。
华为的另一位轮值主席埃里克-徐说：在中国的半导体行业，我们在过去几年里看到的是源源不断的限制。行业一定会努力自救、自强、自立。
在靠近上海的江苏省，由国家支持的新兴芯片封装公司SJ半导体正在开发与台积电先进封装技术类似的组装技术，包括将内存芯片与处理器芯片连接起来。据直接了解此事的芯片供应商高管称，华为是其最重要的潜在买家。
另一家领先的芯片组装公司，位于福建省泉州市的曲亮电子，已经告诉供应商，它将在三年内把产能扩大至少四倍，主要是为了满足华为激增的需求。
一家日本芯片设备制造商的高管告诉《日经新闻》，中国在封装方面非常积极。他们密切关注着大型芯片制造商的动向，即使还不具备使用这些设备的封装技术，他们也会购买同样的设备。我们感受到了他们尽快囤积工具的紧迫感。另外，基本上，这里现在是没有任何限制的。
物理上有限制，胃口却无限
物理定律究竟会在多长时间内终结越来越小的晶体管，目前尚无定论。
台积电董事长刘德音在今年9月的一次行业活动上说，过去50年来，半导体技术的发展就像在隧道里行走。前方的道路是清晰的，有一条明确的路径。每个人都知道需要做什么：缩小晶体管。
现在，我们已经走到了隧道的出口。半导体技术越来越难发展。然而，在隧道之外，还有更多的可能性。到时我们不再受隧道的限制。
目前，还没有人敢完全放弃摩尔定律。
英特尔公司首席执行官帕特-盖尔辛格发誓要用尽元素周期表来保持摩尔定律的生命力，因为该公司正试图在四年内推进五代产品，以夺回其在半导体制造领域失去的领先地位。盖尔辛格上个月在台北表示："我们将继续扳弯物理学，寻找新的方法来创新晶体管架构，以及我们在这里的封装和交付方式”。
除了预计在两年内实现的2纳米芯片外，主要制造商已经在开发1.4纳米芯片，并计划在2032年实现1纳米芯片。
这就需要比利时著名研究机构IMEC在2022年推出一种新的晶体管结构。英特尔高级副总裁桑杰-纳塔拉詹说，英特尔公司在垂直堆叠新品种晶体管方面取得了关键性突破，为生产1纳米以下的芯片铺平了道路。
十年前，3纳米芯片几乎就是不可想象。美国芯片材料制造商Entegris的首席技术官James ONeill告诉《日经亚洲》。
ASML是全3球最大的芯片设备制造商，其设备决定了小型集成电路的印刷方式。
然而，雄心壮志必须与成本相匹配。据国际商业战略公司称，建造适用于运行人工智能计算的2纳米芯片的初始投资将接近300亿美元，是建造消费电子产品微控制器芯片工厂的10倍。
日本一家领先的芯片生产设备制造商的高管不禁问道："我们在1纳米之后继续突破的目的是什么？我们仅仅是在追求技术突破吗？我们必须想一想，是什么让我们有理由投入如此多的资源和投资？”
对于像苹果这样在产品中使用尖端芯片的公司来说，生产成本已经飙升。例如，iPhone处理器的生产成本在过去十年中增长了十倍。
麦肯锡公司高级合伙人Ondrej Burkacky说："从根本上说，每个晶体管成本下降的逻辑在28纳米制程时就结束了”。而且，尖端芯片的价格将越来越低，芯片技术的进步必须对客户具有经济意义。
台积电的刘德音告诉《日经亚洲》："我不认为所有的芯片制造商都能走到最后。如今有很多途径可以推动半导体技术的发展”。
然而，芯片行业的一些声音认为，黄金时代可能已经结束。尖端技术终有一天会成为成熟技术，而且，是不可避免。日本领先的芯片工具供应商之一佳能公司的一位业内资深人士告诉《日经亚洲》。
虽然处理器的性能仍在提高，但每一代处理器的性能提高速度都在下降。麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室未来科技研究项目主任尼尔-汤普森告诉《日经亚洲》。
总部位于奥地利的领先芯片基板供应商奥特斯公司首席技术官彼得-格里赫斯尼格说，量子计算机仍是一项新兴技术，但是，它可能是未来的选择之一。如果把服务器与量子计算机整合在一起，用于特定的算法，就有机会在未来大幅提高性能。前台积电研发主管蒋告诉《日经亚洲》，未来实现更快计算的途径很可能是半导体以外的技术。他说，展望未来，最理想的情况是采用完全不同的技术，取代硅芯片，继续提高计算性能。目前，业界仍在探索各种可能性，还没有一个明确的答案。
2023/12/13 日经英语新闻 日经亚洲科技记者程廷芳、李璐丽
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