2039
作者簡介：湯之上隆先生為日本精密加工研究所所長，曾長期在日本制造業(yè)的生產(chǎn)第一線從事半導(dǎo)體研發(fā)工作，2000年獲得京都大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，之后一直從事和半導(dǎo)體行業(yè)有關(guān)的教學(xué)、研究、顧問及新聞工作者等工作，曾撰寫《日本“半導(dǎo)體”的失敗》、《“電機(jī)、半導(dǎo)體”潰敗的教訓(xùn)》、《失去的制造業(yè)：日本制造業(yè)的敗北》等著作。
01?、奇點(diǎn)會在5年后到來嗎？
美國發(fā)明家雷·庫茲韋爾 （Ray Kurzweil） 的著作《后人類》認(rèn)為 "人工智能（AI）的能力正以指數(shù)級速度提高，到 2045 年將超越全人類的智力，迎來奇點(diǎn)"，這一預(yù)測讓我感到震驚。我想，這個(gè)世界可能會像科幻電影《終結(jié)者》一樣，軍用計(jì)算機(jī) "天網(wǎng) "將人類視為敵人，并發(fā)動了一場核戰(zhàn)爭。
然而，由于庫茲韋爾在2005年出版了這本書，日文版于2007年出版，當(dāng)時(shí)奇點(diǎn)還遠(yuǎn)在未來，并沒有迫在眉睫的危機(jī)感。
然而，當(dāng) OpenAI 于 2022 年 11 月 30 日發(fā)布 ChatGPT 時(shí)，情況突然發(fā)生了變化。
在接受《日經(jīng)新聞》采訪時(shí)，庫茲韋爾說了以下內(nèi)容：
"當(dāng)我發(fā)表超越人類的AI預(yù)測時(shí)，包括后來獲得諾貝爾獎的研究者在內(nèi)，誰也不認(rèn)同'還需要100年的時(shí)間的說法"，"AI將會創(chuàng)造出更優(yōu)秀的AI……（略）……到2029年AI將擁有比人類更高的智能"，"現(xiàn)在連'2029年'的預(yù)測也被認(rèn)為是保守的。"
這篇報(bào)道再次讓我感到驚訝。奇點(diǎn)是"遙遠(yuǎn)的未來"，但它將在不到五年的時(shí)間內(nèi)到來（夠快了?。?/p>
事實(shí)上，兩位發(fā)現(xiàn)并發(fā)明了機(jī)器學(xué)習(xí)（人工智能的基礎(chǔ)）的研究人員入選了 2024 年諾貝爾物理學(xué)獎，三位成功利用人工智能預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究人員入選了諾貝爾化學(xué)獎。也就是說，有五位與人工智能相關(guān)的研究人員入選 2024 年諾貝爾獎。在庫茲韋爾預(yù)言 "再過100年"之后，僅僅19年后就發(fā)生了這樣的事情。
美國的 NVIDIA GPU 等 AI 半導(dǎo)體正在為 AI 的這一突破做出重大貢獻(xiàn)。
因此，本文首先預(yù)測了到 2030 年（奇點(diǎn)應(yīng)該已經(jīng)到來），由于人工智能半導(dǎo)體的貢獻(xiàn)，全球半導(dǎo)體市場將增長到什么程度。接著，本文揭示了摩爾定律開始加速的現(xiàn)實(shí)，即以每個(gè)封裝的計(jì)算速度來衡量。報(bào)告進(jìn)一步指出，加速摩爾定律的一個(gè)因素是半導(dǎo)體微型化的持續(xù)發(fā)展，而 ASML 最先進(jìn)的極紫外（EUV）光刻設(shè)備已經(jīng)（或?qū)⒁榇俗龀鲋卮筘暙I(xiàn)。
最后，我想預(yù)測到 2050 年左右的全球半導(dǎo)體市場，并表達(dá)我的觀點(diǎn)，從某種意義上說，奇點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到。“終結(jié)者”現(xiàn)在可能就在你身邊。
02?、2025年至2030年的半導(dǎo)體市場趨勢
圖 2 顯示了 Amit Harchandani 在 2024 年 11 月 14 日的“ASML 投資者日”上以“終端市場、晶圓需求和光刻支出”為題展示的幻燈片。該圖表顯示了從 2025 年到 2030 年，用于智能手機(jī)、個(gè)人電腦、消費(fèi)電子、有線和無線基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和存儲、汽車和工業(yè)等各種電子設(shè)備的半導(dǎo)體將增長多遠(yuǎn)，以及全球半導(dǎo)體市場將增長多遠(yuǎn)。
圖 2：各種半導(dǎo)體和半導(dǎo)體總量的出貨預(yù)測 來源：ASML 投資者日（2024 年 11 月 14 日），Amit Harchandani，“終端市場、晶圓需求和光刻支出”幻燈片
如果仔細(xì)觀察圖 2，可以看到有兩種類型的預(yù)測趨勢，“CMD 2022”和“CMD 2024”?！癈MD 2022”是基于 2022 年對 2025-2030 年半導(dǎo)體市場的預(yù)測，“CMD 2024”是基于上述基于2024年的預(yù)測的圖表。
這兩個(gè)預(yù)測之間的主要區(qū)別在于它們是否反映了生成式 AI 的全球式繁榮，以及它們是否考慮了2023-2024年的半導(dǎo)體衰退。自 OpenAI 于 2022 年 11 月 30 日發(fā)布 ChatGPT 以來，基于 CMD 2022 的預(yù)測并未考慮生成式 AI 的影響，而生成式 AI 的影響則反映在 CMD 2024 的預(yù)測中。而由于我們在 2023-2024 年進(jìn)入半導(dǎo)體衰退周期，因此在“CMD 2022”中沒有考慮衰退的影響，而經(jīng)濟(jì)衰退的影響則反映在“CMD 2024”中。
綜上所述，再次查看圖 2，我們可以看到 CMD 2024 中用于服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和存儲以外的電子設(shè)備的半導(dǎo)體出貨額大于 CMD 2024。但是，它的增長率在個(gè)位數(shù)，并不是很大。
03、2025年后服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和存儲將引領(lǐng)全球
根據(jù) CMD 2024 的數(shù)據(jù)，智能手機(jī)半導(dǎo)體在 2025 年的價(jià)值為 1490 億美元，到 2030 年將以每年 5% 的速度增長到 1920 億美元。
個(gè)人電腦半導(dǎo)體將從 2025 年的 920 億美元增長到 2030 年的 1120 億美元，年增長率為 4%。
消費(fèi)半導(dǎo)體將從 2025 年的 700 億美元增長到 2030 年的 830 億美元，年增長率為 3%。
用于有線和無線基礎(chǔ)設(shè)施的半導(dǎo)體將以每年 3% 的速度增長，從 2025 年的 530 億美元增加到 2030 年的 830 億美元。
汽車半導(dǎo)體將從 2025 年的 760 億美元增長到 2030 年的 1140 億美元，年增長率為 9%。汽車半導(dǎo)體的增長率僅次于服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和存儲。
工業(yè)半導(dǎo)體將從 2025 年的 840 億美元增長到 2030 年的 1200 億美元，年增長率為 7%。
唯一一個(gè)預(yù)計(jì)在 CMD 2024 年增長超過于 CMD 2022 的服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和存儲半導(dǎo)體將以18% 的年增長率增長，從 2025 年的 1560 億美元增長到 2030 年的 3610 億美元。用于服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和存儲的半導(dǎo)體在所有類型的電子設(shè)備中增長率最高，預(yù)計(jì)2030 年的產(chǎn)值也最大。
2025年，預(yù)計(jì)全球半導(dǎo)體市場規(guī)模為 6790 億美元，預(yù)計(jì)將以 9% 的復(fù)合年增長率增長，到 2030 年將達(dá)到 10510 億美元。按規(guī)模排序，服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和存儲占全球半導(dǎo)體市場的 34%，智能手機(jī)占 18%，工業(yè)占 11%，汽車占 10%，個(gè)人電腦約占 10%，消費(fèi)者占 7%，有線和無線基礎(chǔ)設(shè)施占 6%。
從以上分析可以得出結(jié)論，2025 年至 2030 年，全球半導(dǎo)體市場將由服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心與存儲半導(dǎo)體驅(qū)動，由于人工智能半導(dǎo)體也包含在這一市場中，因此從 2025 年起，人工智能將驅(qū)動全球半導(dǎo)體市場的發(fā)展。
那么，AI半導(dǎo)體推動全球市場發(fā)展的能力將如何提升呢？
04?、“兩年翻倍”的摩爾定律
到目前為止，摩爾定律一直被解釋為在兩年內(nèi)將每個(gè)芯片集成的晶體管數(shù)量翻了一番。但是，在未來，“per chip”可能會變得毫無意義，而“per package”將變得更加重要。這是因?yàn)閷⒏鞣N芯片集成到單個(gè)封裝中并作為單個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的“小芯片”將成為主流。
如果以每個(gè)封裝的晶體管數(shù)量作為圖表的縱軸，可以預(yù)測晶體管數(shù)量在兩年內(nèi)翻倍的摩爾定律將在未來繼續(xù)存在（圖 3）。因此，到 2030 年，半導(dǎo)體每個(gè)封裝將集成一萬億個(gè)晶體管。換句話說，摩爾定律依然存在。
圖 3 摩爾定律，該定律指出每個(gè)封裝的晶體管數(shù)量在兩年內(nèi)翻了一番?來源：ASML 投資者日，2024 年 11 月 14 日，Christophe Fouquet，“全球市場趨勢、行業(yè)技術(shù)路線圖、ESG” 幻燈片
并且，如果將每個(gè)封裝的計(jì)算速度取為圖表的縱軸，我們就能看到通向奇點(diǎn)的新視角。
05?、以計(jì)算速度為縱軸的“新摩爾定律”
如果我們在縱軸上計(jì)算每個(gè)封裝的計(jì)算速度，我們可以看到自 2010 年代以來發(fā)生了重大變化（圖 4 中的上圖）。由于 AI 的需求，計(jì)算速度在 2 年內(nèi)以 2 倍的速度增長，預(yù)計(jì)在 2 年內(nèi)將增長 16 倍。這就是新的摩爾定律。
圖 4 在 2010 年代，每個(gè)封裝的計(jì)算速度在 2 年內(nèi)增加了 16 倍（能耗在 2 年內(nèi)增加了 5 倍） 來源：ASML 投資者日（2024 年 11 月 14 日），Christophe Fouquet，“全球市場趨勢、行業(yè)技術(shù)路線圖、 ESG“ 幻燈片
另一方面，如果我們以每個(gè)封裝的能耗為縱軸，由于人工智能的需求，它在兩年內(nèi)將增加 5 倍，盡管它在兩年內(nèi)下降了 60%（見下圖 4）。這是一場相當(dāng)大的危機(jī)。每個(gè)封裝能耗的增加導(dǎo)致半導(dǎo)體產(chǎn)生了荒謬的熱量（如核反應(yīng)堆的發(fā)熱水平）。
作為對策，光通信是必不可少的。目前，數(shù)據(jù)中心中的服務(wù)器或服務(wù)器中的機(jī)架之間的通信用于通過光而不是電進(jìn)行通信。將來，將需要將機(jī)架中的各種芯片與光連接。
雖然存在如此大的能源消耗問題，但新的摩爾定律讓計(jì)算機(jī)涌現(xiàn)出了多少更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)呢？
06?、具有每秒 200 次能力的“Aurora”
圖 5 顯示了由美國能源部 （DOE） 贊助并由 Intel 和 Hewlett Packard Enterprise （HPE） 開發(fā)的 Aurora 超級計(jì)算機(jī)。
圖 5 生成式 AI 驅(qū)動摩爾定律，但成本上升 來源：ASML 投資者日，2024 年 11 月 14 日，Christophe Fouquet，“全球市場趨勢、行業(yè)技術(shù)路線圖、ESG”幻燈片
Aurora 的開發(fā)成本為 5 億美元，初始計(jì)算速度為 2 exaFLOPS/s（每秒計(jì)算 200 億億次），截至2024年5月已達(dá)到1.012 exaFLOPS。
Aurora 共有 85K CPU 和 GPU、230PB（PB）內(nèi)存和 230PB 存儲空間。簡而言之，Aurora 就像一堆先進(jìn)的半導(dǎo)體。
Aurora 等超級計(jì)算機(jī)創(chuàng)造了一個(gè)新的摩爾定律，即“計(jì)算速度在兩年內(nèi)快16 倍”（盡管開發(fā)成本太高且消耗大量能源）。
這些超級計(jì)算機(jī)使用大量的半導(dǎo)體，例如最先進(jìn)的邏輯、DRAM 和 SSD。
ASML 最先進(jìn)的 EUV 光刻設(shè)備用于制造這些尖端半導(dǎo)體（EUV 光刻技術(shù)不用于 SSD 中的 NAND 閃存，但 EUV 開始用于制造一種類型的邏輯控制器）。
接下來，讓我們來看看 EUV 如何用于半導(dǎo)體的小型化以及未來將如何應(yīng)用。
07、邏輯路線圖
圖 6 顯示了到 2039 年的邏輯路線圖。截至 2024 年，臺積電正在量產(chǎn)最先進(jìn)的 N3 節(jié)點(diǎn)，其晶體管為 FinFET，精細(xì)布線為 23nm 間距，并使用 NA0.33 的 EUV（以下簡稱低 NA）。
圖 6 到 2039 年的高級邏輯路線圖 來源：ASML 投資者日，2024 年 11 月 14 日，Christophe Fouquet，“全球市場趨勢、行業(yè)技術(shù)路線圖、ESG”幻燈片
而在 2029 年，當(dāng)預(yù)測奇點(diǎn)到來時(shí)，技術(shù)節(jié)點(diǎn)將是“A10”，晶體管將是第 3 代納米片（Gate All Around / GAA），精細(xì)布線將為 18nm，并使用 NA0.55 的 EUV（高 NA）。此外，從晶體管后面供電的 Backside Power Delivery Network （BSPDN） 有望投入實(shí)際使用。
圖 7 顯示了低 NA 和高 NA 的使用時(shí)間和方式，其中低 NA 將于 2020 年開始在 N5 節(jié)點(diǎn)大量使用（第一個(gè)試驗(yàn)是臺積電的 "N7+"），而低 NA 雙圖案化已在 N5 至 N3 節(jié)點(diǎn)使用。
圖 7 從低 NA 到高 NA 來源：ASML 投資者日，2024 年 11 月 14 日，Christophe Fouquet，“全球市場趨勢、行業(yè)技術(shù)路線圖、ESG”幻燈片
根據(jù) ASML 的預(yù)測，高 NA 預(yù)計(jì)將從 2027 年的 A14 節(jié)點(diǎn)開始使用，而高 NA 雙圖案化將從 A10 左右開始應(yīng)用。
那么，EUV 究竟會在先進(jìn)邏輯和 DRAM 中應(yīng)用多少光罩呢？
08、EUV 用量是多少？
圖 8 顯示了 2025 年至 2030 年先進(jìn)邏輯芯片和 DRAM 將使用的 EUV 層數(shù)。
圖 8 到 2030 年，先進(jìn)邏輯芯片和 DRAM 將使用多少層 EUV 和高數(shù)值孔徑?來源：ASML 投資者日，2024 年 11 月 14 日，Amit Harchandani，“終端市場、晶圓需求和光刻支出”幻燈片
首先，用于先進(jìn)邏輯芯片的 EUV 層預(yù)計(jì)將在 2025 年增加到 19-21 層，然后以每年 10-20% 的速度增長，到 2030 年增加到 25-30 層。其中，ASML 預(yù)計(jì) High NA 將有 4-6 層（圖 8 左圖）
接下來，預(yù)測先進(jìn)DRAM購買的EUV層數(shù)在2025年為5層，然后以每年15-25%的速度增長，到2030年將達(dá)到7-10層。其中，ASML預(yù)測高數(shù)值孔徑將有2-3層（右圖8）
我認(rèn)為，EUV 層的總數(shù) "差不多是這樣吧？但對高 NA 層的數(shù)量感到有些不安。特別是在先進(jìn) DRAM 方面，想知道是否不會使用高 NA。原因之一是 DRAM 有可能在 2030 年左右變成 3D DRAM（如 NAND）。如果 3D DRAM 大規(guī)模生產(chǎn)，即使是低 NA，也很可能不再大量使用，更不用說高 NA 了。
說完這些，讓我們來看看 EUV 技術(shù)的進(jìn)步。
09、低 NA 和高 NA 路線圖
圖 9 顯示了低 NA 和高 NA EUV 的路線圖。2024 年，低 NA 的最新型號 NXE：3800E 發(fā)布。NXE：3800E 的處理量為 220 ppm/小時(shí)，高于上一代 NXE：3600D 的 160 ppm/小時(shí)。此外，下一代型號“NXE：4000F”的目標(biāo)是 250 幀/小時(shí)，NXE：4200G 的目標(biāo)是 280 幀/小時(shí)或更高。
圖 9 低數(shù)值孔徑 （0.33 NA） 和高數(shù)值孔徑 （0.55 NA） 的 EUV 路線圖 來源：ASML 投資者日（2024 年 11 月 14 日），Peter Vanoppen，“EUV 產(chǎn)品和商業(yè)機(jī)會”幻燈片
自 "ASML 投資者日 "發(fā)布會以來，EUV 產(chǎn)量指標(biāo)發(fā)生了變化。以前，吞吐量用每天的曝光次數(shù)（Wafer/Day）來表示，現(xiàn)在則用每小時(shí)的曝光次數(shù)（Wafer/hr）來表示。
這個(gè)指標(biāo)更容易理解。在此之前，我們總是將數(shù)字除以 24 小時(shí)，因?yàn)楫?dāng)產(chǎn)量顯示為 "晶圓/日 "時(shí)，我們并不清楚。因?yàn)槿绻徽f明每小時(shí)有多少晶圓，我們就感覺不對。我們希望 ASML 繼續(xù)以晶圓/小時(shí)為單位標(biāo)明產(chǎn)量。
我們現(xiàn)在來看看高 NA：繼 EXE:5000 之后（計(jì)劃在 2023 年至 2024 年期間共交付 10 臺），EXE:5200B 將于 2025 年交付，該產(chǎn)品主要用于大規(guī)模生產(chǎn)。預(yù)計(jì)產(chǎn)量將從 EXE:5000 的 110 個(gè)晶片/小時(shí)提高到 175 個(gè)晶片/小時(shí)。
此外，吞吐量超過 185 張/小時(shí)的 EXE：5200C 計(jì)劃于 2027 年發(fā)布，吞吐量為 195 張/小時(shí)或更高的 EXE：5400D 計(jì)劃于 2029 年發(fā)布。而在 2032 年，NA0.75 的 Hyper NA 也即將出貨。
這樣，EUV 的發(fā)展繼續(xù)到 0.33 NA（低 NA）、0.55 NA（高 NA）和 0.75 NA（Hyper NA）。在此過程中，ASML 在其開發(fā)中投入了大量精力。
10、EUV 的通用模塊化和吞吐量的提高
2024 年發(fā)布的低 NA NXE:3800E 有一個(gè)很大的訣竅。其訣竅在于，ASML 試圖創(chuàng)建一個(gè)通用的 EUV 模塊，以應(yīng)對從低 NA 到高 NA 再到超 NA 的發(fā)展。
如圖 10 所示，對于低 NA、高 NA 和 Hyper NA，光源、掩模臺、晶圓臺等是通用模塊，只有鏡頭等光學(xué)系統(tǒng)是每代的專用模塊。
圖 10 從低數(shù)值孔徑 （0.33） 到高數(shù)值孔徑 （0.55） 再到超數(shù)值孔徑 （0.75）?來源：ASML 投資者日（2024 年 11 月 14 日），Peter Vanoppen，“EUV 產(chǎn)品和商業(yè)機(jī)會”幻燈片
以這種方式，NXE：3800E 的開發(fā)和發(fā)貨目標(biāo)是在未來 15 年或更長時(shí)間內(nèi)使用通用模塊?？梢哉f，這非常像 ASML 的策略。
未來，吞吐量將繼續(xù)增加（圖 11）。至于低數(shù)值孔徑，NXE：3800E 已超過 200 張/小時(shí)，并計(jì)劃到 2030 年達(dá)到 300 張/小時(shí)。此外，在高 NA 的情況下，原始 EXE：5000 的吞吐量為 110 張/小時(shí)，但目標(biāo)是到 2030 年超過 200 張/小時(shí)。
圖 11 吞吐量永遠(yuǎn)持續(xù)增加 來源：ASML 投資者日，2024 年 11 月 14 日，Peter Vanoppen，“EUV 產(chǎn)品和商業(yè)機(jī)會”幻燈片
11、再一次，全球半導(dǎo)體市場的未來預(yù)測
到目前為止，我們使用了 ASML 投資者日上展示的幻燈片來表明半導(dǎo)體小型化將在未來 15 年或更長時(shí)間內(nèi)持續(xù)。而這種不間斷的小型化將導(dǎo)致“新摩爾定律”的實(shí)現(xiàn)，該定律在兩年內(nèi)將每個(gè)封裝的計(jì)算速度提高了 16 倍。
在這里，我們將再次對全球半導(dǎo)體市場的未來進(jìn)行預(yù)測。在我的文章《歷史上最嚴(yán)重的半導(dǎo)體衰退、復(fù)蘇跡象和生成式 AI 是新的驅(qū)動力》（2023 年 9 月 8 日）中，我展示了全球半導(dǎo)體市場在大約 10 年內(nèi)翻了一番（圖 12）
圖 12：自 1990 年以來，全球半導(dǎo)體市場在 10 年內(nèi)大約翻了一番?來源：基于 WSTS 數(shù)據(jù)和作者的預(yù)測
通過應(yīng)用“10年翻倍”的經(jīng)驗(yàn)法則，很容易預(yù)測全球半導(dǎo)體市場的未來。全球半導(dǎo)體市場在 2022-2024 年約為 6000 億美元，到現(xiàn)在 10 年后的 2032 年將翻一番，達(dá)到 1.2 萬億美元。10 年后，即 2042 年，這一數(shù)字將翻一番，達(dá)到 2.4 萬億美元，10 年后的 2052 年，這一數(shù)字將翻一番，達(dá)到 4.8 萬億美元（圖 13）
圖 13：“10 年翻一番”到 2052 年將達(dá)到 4.8 萬億美元?資料來源：基于 WSTS 數(shù)據(jù)和作者的預(yù)測
12、奇點(diǎn)已經(jīng)到來了嗎？
在這份半導(dǎo)體市場預(yù)測中，我假設(shè)奇點(diǎn)將在 2045 年出現(xiàn)，也就是遙遠(yuǎn)的未來 20 多年后。然而，正如我在開頭提到的，庫茲韋爾先生說奇點(diǎn)將在 2029 年到來，比計(jì)劃提前 16 年。無論我想了多少次，這仍然讓我感到震驚。
另一方面，我心中閃過一個(gè)想法，“奇點(diǎn)不是已經(jīng)來了嗎？如圖 4 所示，第一個(gè)跡象是每個(gè)封裝的計(jì)算速度從 2010 年代的“兩年翻倍”飆升到 2020 年代的“兩年內(nèi) 16 倍”。第二個(gè)跡象是生成式 AI（例如 ChatGPT）的復(fù)雜性和普及。
我有一個(gè)模糊的想法，奇點(diǎn)會突然到來，就像電影《終結(jié)者》中的軍用計(jì)算機(jī)“天網(wǎng)”有一個(gè)自我，“一臺機(jī)器將在微秒內(nèi)對人類進(jìn)行核攻擊”。
然而，實(shí)際的奇點(diǎn)并不是那樣的，而是隨著 ChatGPT 在世界范圍內(nèi)的傳播，許多人將使用和依賴這種生成式 AI，它將逐漸滲透到人類（人類的大腦）中。如果是這樣，難道不能說奇點(diǎn)已經(jīng)來了嗎？
在寫這篇文章時(shí)，我使用了很多生成式 AI工具。至少對我來說，奇點(diǎn)可能即將到來。您怎么看？
來源：內(nèi)容由芯世相（ID：xinpianlaosiji）編譯自「EE Times Japan」，作者：湯之上隆
