自英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾宣布“摩爾定律”以來，已經(jīng)過去了大約 60 年。大約50年來，半導(dǎo)體集成電路上的晶體管數(shù)量按照摩爾定律持續(xù)呈指數(shù)增長(zhǎng)。

近年來，摩爾定律已達(dá)到極限。然而，即使摩爾定律達(dá)到極限，集成電路密度的增加也無法停止。整個(gè)社會(huì)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型、物聯(lián)網(wǎng)的傳播以及人工智能的出現(xiàn)。所有這些都需要高度集成的半導(dǎo)體。

如何才能不斷提高集成電路的集成度?半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將如何變化?未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)重要的是什么? 本文采訪了東京大學(xué)研究生院教授黑田忠宏。

問：近年來，我們經(jīng)常聽到“摩爾定律即將終結(jié)”的說法。戈登摩爾在多大程度上預(yù)見到摩爾定律可能達(dá)到其極限？

黑田忠宏先生（以下簡(jiǎn)稱黑田）：摩爾先生在2003年的一次國(guó)際會(huì)議上的演講中斷言“（集成電路上晶體管數(shù)量的增加）不會(huì)永遠(yuǎn)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)?！?不過，他接著表示，推遲指數(shù)增長(zhǎng)的結(jié)束是有可能的。

推遲集成電路晶體管數(shù)量指數(shù)增長(zhǎng)的結(jié)束。我相信這就是今天從事半導(dǎo)體研究的研究人員和工程師應(yīng)該扮演的角色。

問：你認(rèn)為，社會(huì)將從資本密集型、工業(yè)化社會(huì)演變成知識(shí)密集型、以知識(shí)為基礎(chǔ)的社會(huì)。請(qǐng)告訴我們什么是知識(shí)社會(huì)，以及半導(dǎo)體在知識(shí)社會(huì)中將扮演什么角色。

黑田東彥：你最近聽說過“從事物到服務(wù)”和“從商品到服務(wù)”這樣的詞嗎？在這個(gè)世界中，價(jià)值不是存在于物質(zhì)“事物”中，而是存在于“事物”和“服務(wù)”中，換句話說，就是知識(shí)中。那是一個(gè)以知識(shí)為基礎(chǔ)的社會(huì)。

迄今為止，在工業(yè)化社會(huì)中，半導(dǎo)體只是零部件。就像螺釘和釘子一樣，消費(fèi)者不知道它被用于最終產(chǎn)品中。這是影子的存在。需要以低價(jià)大批量提供標(biāo)準(zhǔn)化零件。

另一方面，在知識(shí)社會(huì)中，數(shù)據(jù)是關(guān)鍵。通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)處理大量數(shù)據(jù)，各種使用人工智能的服務(wù)正在社會(huì)中實(shí)施。

物聯(lián)網(wǎng)需要收集數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)使用內(nèi)置半導(dǎo)體的設(shè)備，例如傳感器和通信終端。此外，如果沒有半導(dǎo)體，就無法分析收集到的數(shù)據(jù)。

在向消費(fèi)者提供使用數(shù)據(jù)分析的服務(wù)時(shí)，會(huì)使用智能手機(jī)等設(shè)備。智能手機(jī)充滿了半導(dǎo)體。

在知識(shí)社會(huì)中，半導(dǎo)體無處不在。屆時(shí)，半導(dǎo)體將不再局限于零部件行業(yè)。半導(dǎo)體可以成為知識(shí)社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施。

問：與推動(dòng)二維小型化的摩爾定律相反，你提到了芯片三維集成的“超越摩爾”的重要性。為什么現(xiàn)在需要對(duì)芯片進(jìn)行三維集成？

黑田東彥：由于工藝節(jié)點(diǎn)在40nm左右，即使進(jìn)一步小型化，晶體管的價(jià)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，地價(jià)太高，連一棟小平房都建不起。結(jié)果，建筑物變得越來越高。

半導(dǎo)體也是如此。雖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，即面積。就像摩天大樓一樣，將集成電路立體向上向上堆疊起來不是更好嗎？產(chǎn)生這樣的想法是很自然的。

此外，在半導(dǎo)體行業(yè)，過去170米、50層的高層建筑將需要在保持高度不變的情況下增加到100層甚至1000層。這將迎來Z軸方向小型化激烈競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。

問：您多次提到“敏捷”（快速、靈活）是未來半導(dǎo)體芯片發(fā)展的一個(gè)重要點(diǎn)。

黑田東彥：到目前為止，半導(dǎo)體行業(yè)一直關(guān)注成本。但那些日子即將結(jié)束。

下一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)軸是績(jī)效和時(shí)間。這里的“時(shí)間”是指“我們能夠多快將產(chǎn)品推向市場(chǎng)？”

截至 2023 年，人工智能繼續(xù)加速發(fā)展。ChatGPT 上線僅一個(gè)多月，用戶數(shù)量就已突破 1 億。在這樣的時(shí)代，即使你花兩年時(shí)間創(chuàng)造出“最新”的半導(dǎo)體，它仍然是兩年前的“最新”。

這就是為什么我們需要敏捷。敏捷是半導(dǎo)體的新價(jià)值。

在軟件行業(yè)，時(shí)間已經(jīng)是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)軸?？焖匍_發(fā)，發(fā)布到市場(chǎng)，并根據(jù)用戶反饋進(jìn)行升級(jí)。我相信未來半導(dǎo)體也需要類似的方法。

問：你認(rèn)為，隨著工業(yè)化社會(huì)向知識(shí)社會(huì)的轉(zhuǎn)變，半導(dǎo)體需求將從通用芯片轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ眯酒?。為什么知識(shí)社會(huì)對(duì)專用芯片的需求不斷增加？

黑田東彥：底線是專用芯片是節(jié)能的。

能源是目前半導(dǎo)體行業(yè)的一個(gè)主要問題。人工智能半導(dǎo)體高速計(jì)算大量數(shù)據(jù)。此時(shí)，消耗了大量的能量。

通用芯片的設(shè)計(jì)使得任何人都可以將它們用于任何目的。它很靈活，但尚未優(yōu)化。

有著“我想用人工智能做點(diǎn)什么”這一明確目標(biāo)的半導(dǎo)體用戶想要一款專門為此目的而優(yōu)化的專用芯片。專用芯片消除了不必要的性能，因此具有高能效和特定于目標(biāo)領(lǐng)域的性能。

自2010年代末以來，GAFAM和特斯拉等硅谷主要科技公司都開始開發(fā)自己的專用芯片。以前的芯片用戶現(xiàn)在正在開發(fā)專用芯片供自己使用。

開發(fā)一款專用芯片需要兩年時(shí)間，大約有 200 名工程師共同努力。僅此一項(xiàng)的投資額就約為500億日元。如果進(jìn)一步投入制造的話，大概要花費(fèi)50億日元、100億日元。只有擁有雄厚資本的大型科技公司才能獲得專用芯片。

有很多人認(rèn)為，“我想做這種業(yè)務(wù)或使用人工智能提供服務(wù)?！?這些人根本沒有資金購(gòu)買專用芯片。

我們將為他們提供小批量、短交貨期的專用芯片，并將繼續(xù)將新想法落實(shí)到社會(huì)中。如果我們能做到這一點(diǎn)，新的商業(yè)和服務(wù)將會(huì)在社會(huì)上層出不窮。

Rapidus 在日本成立就是為了滿足這些需求。

芯片開發(fā)以前是100分制，現(xiàn)在應(yīng)該是80分制。如果你想要80分，五分之一的時(shí)間就可以做到。芯片開發(fā)可以很快達(dá)到80分，但試圖從那里達(dá)到100分需要大量的時(shí)間和成本。

制造半導(dǎo)體最耗時(shí)且成本最高的過程是芯片開發(fā)。通過實(shí)施 80 點(diǎn)芯片開發(fā)流程，可以顯著減少時(shí)間和成本。

然而，可能需要權(quán)衡，例如更大的芯片和更高的制造成本。不過考慮到總成本，還可以更便宜。

問：在以量產(chǎn)為常態(tài)的半導(dǎo)體行業(yè)，我覺得無論怎么降低開發(fā)成本，都很難盈利。

黑田東彥：正如您所說，以敏捷的方式小批量生產(chǎn)半導(dǎo)體的想法似乎很難讓業(yè)內(nèi)人士接受。然而，我最近發(fā)現(xiàn)有些用戶非常同意我的想法。

我是一名研究員。

研究世界是非常嚴(yán)格的。如果有一天你落后于世界其他地方，你的研究將永遠(yuǎn)不會(huì)見光。

天文學(xué)家、地球科學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家等都在處理大量數(shù)據(jù)的學(xué)術(shù)領(lǐng)域展開競(jìng)爭(zhēng)。挑戰(zhàn)在于計(jì)算數(shù)據(jù)的速度有多快。一些研究人員希望超級(jí)計(jì)算機(jī)配備自己的人工智能功能。

我們生活在一個(gè)擁有自己的超級(jí)計(jì)算機(jī)的研究人員可以最快地得出研究結(jié)果的時(shí)代。

我們目前正在與東京大學(xué)校園以及與東京大學(xué)合作的 RIKEN 的研究人員合作，開發(fā)滿足每個(gè)人需求的專用芯片。

最終，擁有使用專用芯片進(jìn)行研究經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生將進(jìn)入勞動(dòng)力市場(chǎng)。他們將把使用專用芯片的研究方法帶入工業(yè)界。通過這種方式，我希望對(duì)敏捷、專用芯片的需求將逐漸滲透到工業(yè)界。