1094
作者：湯之上隆
當(dāng)筆者在讀到美國發(fā)明家雷·庫茲韋爾（Ray Kurzweil）的著作《后人類》時，我意識到：“能力呈指數(shù)級提高的人工智能（AI）將在2045年惠及全人類?！?/p>
當(dāng)人工智能（AI）超過人類智力時，技術(shù)奇點(diǎn)就會到來。我想：一個類似于科幻電影《終結(jié)者》那樣的世界，軍事計算機(jī)“天網(wǎng)”將人類視為敵人并發(fā)動核戰(zhàn)爭的世界可能即將到來。庫茲韋爾在接受記者采訪時表示：“當(dāng)我宣布人工智能超越人類的預(yù)測時，包括后來獲得諾貝爾獎的研究人員在內(nèi)，沒有人同意還需要 100 年……到 2029 年，人工智能將擁有比人類更高的智力……現(xiàn)在連2029年的預(yù)測都被認(rèn)為是保守的?！?/p>
實(shí)際上，2024年諾貝爾物理學(xué)獎將頒發(fā)給兩位發(fā)現(xiàn)并發(fā)明了AI基礎(chǔ)“機(jī)器學(xué)習(xí)”的研究人員；諾貝爾化學(xué)獎授予三位使用AI成功預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的科學(xué)家。也就是說，有五位人工智能相關(guān)研究人員入選2024年諾貝爾獎獲得者。在《后人類》中，還需要100年的事情，在庫茲韋爾預(yù)測后的19年就發(fā)生了。英偉達(dá)的GPU等芯片為AI的進(jìn)步作出了重大貢獻(xiàn)。在本文中，我們會先來預(yù)測由于AI產(chǎn)生的半導(dǎo)體需求，2030年（奇點(diǎn)已經(jīng)到來后）全球半導(dǎo)體市場將增長多少。
之后，我們以每個封裝（芯片封裝）的每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)作為指標(biāo)，可以發(fā)現(xiàn)摩爾定律在加速。此外，摩爾定律加速發(fā)展的因素之一是晶體管的持續(xù)變小，而ASML的EUV光刻機(jī)在持續(xù)地做出貢獻(xiàn)。最后，筆者會預(yù)測到2050年時候的全球半導(dǎo)體市場，并談?wù)勎业南敕?。從某種意義上來說，我們已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)奇點(diǎn)。
?01、2025年到2030年，全球半導(dǎo)體市場
圖1 各類半導(dǎo)體出貨量及半導(dǎo)體總量預(yù)測?來源：ASML
上圖是2024年在ASML投資者日是展示的PPT，主題是“終端市場、晶圓需求和光刻支出”。這張圖展示了從2025年到2030年中，各種電子設(shè)備（例如智能手機(jī)、個人電腦、消費(fèi)者、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)設(shè)備）的增長量，同時還有全球半導(dǎo)體行業(yè)的增長情況。
從圖中可以看出，半導(dǎo)體市場能夠增長多少。圖1中，展示了兩種類型的預(yù)測趨勢：CMD 2022 和CMD 2024。CMD 2022是基于2022年對2025年至2030年半導(dǎo)體市場的預(yù)測；CMD 2024則是基于2024年對2025年至2030年半導(dǎo)體市場的預(yù)測。這兩種預(yù)測方式的區(qū)別在于，有沒有反映了生成式AI帶來的全球繁榮、有沒有考慮2023—2024年的半導(dǎo)體衰退。
2022年11月30日，Open AI發(fā)布了ChatGPT，因此基于CMD 2022的預(yù)測沒有考慮生成的AI的影響。由于半導(dǎo)體行業(yè)在 2023-2024 年進(jìn)入周期衰退，因此CMD 2022中沒有考慮該影響，僅在CMD 2024中反映了周期衰退的影響。了解了以上情況，再仔細(xì)看圖1 ，可以發(fā)現(xiàn)CMD 2022中除服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和存儲之外的電子設(shè)備的半導(dǎo)體出貨量，都將比CMD 2024更大，不過增速都是個位數(shù)，增幅不是很大。
?02、三大領(lǐng)域，推動2025年后半導(dǎo)體市場發(fā)展
服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心、存儲都將在2024年后推動半導(dǎo)體市場的發(fā)展。基于CMD 2024的各種電子設(shè)備半導(dǎo)體的預(yù)測如下。
智能手機(jī)半導(dǎo)體的市場到 2025 年將達(dá)到 1,490 億美元，預(yù)計將以每年 5% 的速度增長，到 2030 年將達(dá)到 1,920 億美元。PC半導(dǎo)體在2025年市場920億美元，將以每年4%的速度增長，到2030年達(dá)到1120億美元。消費(fèi)半導(dǎo)體的市場在2025年達(dá)到700億美元，將以每年3%的速度增長，到2030年達(dá)到830億美元。用于有線和無線基礎(chǔ)設(shè)施的半導(dǎo)體市場到 2025 年將達(dá)到 530 億美元，將以每年 6% 的速度增長，到 2030 年將達(dá)到 700 億美元。汽車半導(dǎo)體2025年市場760億美元，將以每年9%的速度增長，到2030年達(dá)到1140億美元。汽車半導(dǎo)體的增長率位居第二，僅次于服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心及存儲半導(dǎo)體。工業(yè)半導(dǎo)體2025年市場840億美元，將以每年7%的速度增長，到2030年達(dá)到1200億美元。
在預(yù)測中，唯一預(yù)計CMD 2024增長速度快于CMD 2022的半導(dǎo)體行業(yè)是服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和存儲的半導(dǎo)體，其規(guī)模將從2025年的1560億美元以每年18%的速度增長，到 2030 年達(dá)到 3610 億美元。用于服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和存儲的半導(dǎo)體在各種電子設(shè)備中增長率最高，2030年的預(yù)測值也最高。據(jù)預(yù)測，到2025年，全球半導(dǎo)體市場將達(dá)到6790億美元的規(guī)模，并將以每年9%的復(fù)合增長率持續(xù)擴(kuò)張，預(yù)計至2030年，該市場價值將攀升至1.51萬億美元。
在全球半導(dǎo)體市場中，各細(xì)分領(lǐng)域的市場份額從高至低依次為：服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心及存儲占比34%，智能手機(jī)占18%，工業(yè)用途占11%，汽車領(lǐng)域占10%，個人電腦約占10%，消費(fèi)者領(lǐng)域占7%，有線和無線基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域占6%?；谏鲜龇治觯?wù)器、數(shù)據(jù)中心以及存儲領(lǐng)域所使用的半導(dǎo)體將成為2025年至2030年期間全球半導(dǎo)體市場的主要推動力。由于AI半導(dǎo)體也包含在其中，可以得出結(jié)論：AI將成為半導(dǎo)體市場增長的主要驅(qū)動力。接下來，探討的問題是：驅(qū)動全球市場的AI半導(dǎo)體的能力將如何提升？
?03、兩年翻一番的摩爾定律
迄今為止，摩爾定律通常被理解為每兩年，單個芯片上集成的晶體管數(shù)量將翻一番。然而，在未來，“單個芯片”的概念可能將失去其重要性，而“單個封裝”的重要性將日益凸顯。因?yàn)閷⒏鞣N芯片集成到單個封裝中并作為單個系統(tǒng)運(yùn)行的“小芯片”（Chiplet）將成為主流。
圖2 ASML新任CEO 在ASML投資者日上展示的PPT
如果我們將單個封裝的晶體管數(shù)量作為圖表的縱軸，則可以預(yù)測晶體管數(shù)量每兩年增加一倍的“摩爾定律”將持續(xù)下去（圖2）。因此，到 2030 年，半導(dǎo)體的每個封裝中將集成一萬億個晶體管。換句話說，摩爾定律仍然成立。此外，如果我們在圖表的縱軸上繪制“單個封裝”的計算速度，我們可以看到帶來“技術(shù)奇點(diǎn)”的新視角。
?04、以計算速度為縱軸的“新摩爾定律”
圖3 2010年代，單個封裝計算速度2年內(nèi)增長16倍（能耗2年內(nèi)增長5倍）?來源：ASML
倘若我們在垂直坐標(biāo)軸上描繪出單個封裝下的計算處理速度，便能觀察到自21世紀(jì)10年代起，該速度經(jīng)歷了顯著的變革（參見圖3上半部分）。由于人工智能的需求，計算速度每兩年增加一倍，預(yù)計兩年內(nèi)將增加16倍。這就是新的摩爾定律。
另一方面，從縱軸看單個封裝的能耗，兩年內(nèi)下降了60%，但由于人工智能的需求，兩年內(nèi)將增加五倍（參見圖3下半部分）。這是很危險的，單個封裝的能耗增加讓芯片產(chǎn)生了巨大的熱量。作為解決這一問題的對策，光通信將變得至關(guān)重要。目前，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務(wù)器之間或容納服務(wù)器的機(jī)架之間的通信正在使用光而不是電。未來，需要通過光學(xué)連接來連接機(jī)架中的各種芯片。雖然能源消耗存在很大問題，但是新摩爾定律帶來的高性能計算機(jī)是如何出現(xiàn)的呢？
?05、超級計算機(jī)，每秒能執(zhí)行200百億次
圖4 生成式AI推動摩爾定律，但成本飆升 來源：ASML
圖 4是超級計算機(jī) Aurora，它由美國能源部 (DOE) 贊助，由英特爾和惠普企業(yè) (HPE) 開發(fā)。Aurora 的開發(fā)成本為 5 億美元，初始計算速度為 2 exaFLOPS/s（每秒 200 百億次計算），但截至 2024 年 5 月，已達(dá)到 1.012 exaFLOPS。這款 Aurora 共有 85K 個 CPU 和 GPU、230PB（PB）內(nèi)存和 230PB 存儲。
簡而言之，Aurora 就像是一個非常先進(jìn)的芯片。以Aurora為代表的超級計算機(jī)正在創(chuàng)造新的摩爾定律，即“2年內(nèi)計算速度提高16倍?！保ǖ澈蟮膯栴}是開發(fā)成本太高，而且消耗大量能源）這種超級計算機(jī)集成了大量的先進(jìn)的邏輯芯片、DRAM、SSD以及其他半導(dǎo)體組件。ASML的High NA EUV光刻機(jī)可以用來生產(chǎn)這類尖端半導(dǎo)體產(chǎn)品。接下來，我們一起看看EUV 光刻機(jī)如何將芯片制程進(jìn)一步縮小的？
?06、先進(jìn)邏輯芯片路線圖
圖5 到2039年的先進(jìn)邏輯路線圖?來源：ASML
圖5展示了到2039年的邏輯芯片路線圖。截至2024年，臺積電能夠量產(chǎn)的最頂尖的節(jié)點(diǎn)是“N3”，晶體管為FinFET，精細(xì)互連間距為23 nm，采用NA為0.33的EUV光刻機(jī)（Low NA）。
在技術(shù)奇點(diǎn)到來的2029年，芯片工藝制程的技術(shù)節(jié)點(diǎn)是“A10”，晶體管將是第3代Nanosheet（Gate All around / GAA），精細(xì)互連間距將是18 nm，采用NA 為 0.55的EUV光刻機(jī)（High NA）。并且晶體管背面供電的背面供電網(wǎng)絡(luò)（BSPDN），有希望能夠投入實(shí)際使用。
圖6 從Low NA到High NA ?來源：ASML
圖6展示了什么時候開始使用Low NA EUV光刻機(jī)和High NA EUV光刻機(jī)。Low NA EUV光刻機(jī)是在2020年開始在N5節(jié)點(diǎn)上正式使用，臺積電的“N7+”首次嘗試，此外，Low NA雙圖案技術(shù)是在N5至N3工藝節(jié)點(diǎn)中得到應(yīng)用。依據(jù)ASML的預(yù)測，2027年將開始采用High NA技術(shù)于A14節(jié)點(diǎn)，而A10節(jié)點(diǎn)左右將開始采用High NA雙圖案化技術(shù)。那么，先進(jìn)的邏輯芯片和DRAM中，EUV 實(shí)際會應(yīng)用到多少種掩模上呢？
?07、EUV的使用量有多少？
圖7 2030年先進(jìn)邏輯和DRAM將使用多少層EUV和High NA？?來源：ASML
圖7顯示了從 2025 年到 2030 年，先進(jìn)邏輯和DRAM將使用多少層EUV。一開始，用于先進(jìn)邏輯的EUV層預(yù)計到2025年將達(dá)到19至21層，然后以每年10%至20%的速度增長，并在2030年增加至25至30層。其中，ASML認(rèn)為High NA將會是4到6層（圖7左圖）。
之后，將購買先進(jìn)DRAM的EUV層數(shù)預(yù)計將在2025年達(dá)到5層，以每年15%～25%的速度增長，并在2030年達(dá)到7-10層。其中，ASML預(yù)測High NA將為2至3層（圖7右圖）。
關(guān)于EUV的總層數(shù)，我想“這就是它的本質(zhì)嗎？”筆者對于High NA的層數(shù)感到有點(diǎn)奇怪，尤其是對于先進(jìn)DRAM，筆者懷疑 High NA可能不會被使用。因?yàn)镈RAM應(yīng)該會在2030年左右成為三維形式（類似NAND），如果3D DRAM量產(chǎn)的話，我認(rèn)為不只是HighNA，甚至Low NA也不需要這么多層。話雖如此，我們還是來看看EUV的技術(shù)進(jìn)展。
?08、High NA和Low NA的路線圖
圖8 Low NA (0.33NA) 和High NA (0.55NA) EUV路線圖 來源：ASML
2024年，ASML發(fā)布了Low NA的最新型號NXE：3800E。NXE:3800E 的吞吐量現(xiàn)在為 220 片/小時，比之前型號 NXE:3600D 的 160 片/小時有了明顯改進(jìn)。此外，下一代型號NXE：4000F的目標(biāo)是250片/小時，NXE：4200G的目標(biāo)是280片/小時或更多。EUV吞吐量指標(biāo)發(fā)生了變化。以前，吞吐量以每天的曝光次數(shù)（晶圓/天）來表示，但從現(xiàn)在開始，使用每小時的曝光次數(shù)（晶圓/小時）。實(shí)際上，這個指標(biāo)更容易理解。
再來看High NA，ASML的目標(biāo)是2025 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)EXE:5200B。這是繼EXE:5000之后的下一代High NA EUV光刻機(jī)。預(yù)計吞吐量將從 EXE:5000 的 110 片/小時增加到 175 片/小時。此外，計劃于 2027 年推出吞吐量超過 185 片/小時的 EXE:5200C，并于 2029 年推出吞吐量超過 195 片/小時的 EXE:5400D。2032 年，NA 為 0.75 的 Hyper NA 也即將出現(xiàn)。這樣，EUV就從0.33NA（低NA）、0.55NA（高NA）和0.75NA（超NA）繼續(xù)發(fā)展。ASML正在全力開發(fā)。
?09、通用EUV模塊化和吞吐量提升
圖9 低 NA (0.33) 到高 NA (0.55) 到超 NA (0.75) 來源：ASML
如圖9所示，光源、標(biāo)線臺、晶圓臺等是Low NA、High NA和Hyper NA的通用模塊，而各代專用模塊僅針對我制作的鏡頭等光學(xué)系統(tǒng)開發(fā)。在2024年推出的低NA NXE:3800E中，ASML巧妙地引入了一項關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)的核心在于，ASML為極紫外光（EUV）光源設(shè)計了一個通用模塊，旨在實(shí)現(xiàn)從低數(shù)值孔徑（NA）到高數(shù)值孔徑乃至超高數(shù)值孔徑（超NA）的持續(xù)技術(shù)演進(jìn)。通過這種方式，NXE:3800E 的開發(fā)和發(fā)貨目標(biāo)是在未來 15 年或更長時間內(nèi)使用通用模塊。這是ASML非常典型的策略。
圖 10 吞吐量持續(xù)提高 來源：ASML
未來吞吐量將持續(xù)提升。對于低數(shù)值孔徑（NA）的設(shè)備，ASML計劃將NXE:3800E的產(chǎn)能提升至每小時超過200片晶圓，目標(biāo)是在2030年之前達(dá)到每小時300片晶圓。此外，對于高數(shù)值孔徑（NA）設(shè)備，目標(biāo)是到2030年將產(chǎn)能從第一代EXE:5000的每小時110片晶圓提升至超過200片晶圓。
?10、未來全球半導(dǎo)體市場預(yù)測
從前文可以看到，晶體管還會在未來的15年時間內(nèi)繼續(xù)微縮下去，而這種不斷的小型化將很可能導(dǎo)致新摩爾定律的實(shí)現(xiàn)，其中每個封裝的計算速度在兩年內(nèi)提高16倍。
圖11?自1990年以來，全球半導(dǎo)體市場大約每10年翻一番?來源：根據(jù)WSTS數(shù)據(jù)和作者預(yù)測創(chuàng)建
在這里，我們再次對全球半導(dǎo)體市場的未來做出預(yù)測。此前，筆者曾寫過，全球半導(dǎo)體市場將在10年內(nèi)大約翻一番。2022 年至 2024 年間，全球半導(dǎo)體市場規(guī)模約為6000億美元，十年后到2032年將翻一番，達(dá)到 1.2 萬億美元。十年后，即2042年，這一數(shù)字將翻一番，達(dá)到 2.4 萬億美元，再過十年，即2052年，這一數(shù)字將翻倍，達(dá)到4.8萬億美元（圖 12）。
圖12 如果10年內(nèi)翻一番，2052年將達(dá)到4.8萬億美元 來源：根據(jù)WSTS數(shù)據(jù)和作者預(yù)測創(chuàng)建
?11、奇點(diǎn)已經(jīng)到來了嗎？
在做出這些半導(dǎo)體市場預(yù)測時，筆者假設(shè)奇點(diǎn)將出現(xiàn)在 2045 年，即20多年后的遙遠(yuǎn)未來。不過，正如開頭介紹的那樣，庫茲韋爾先生表示，奇點(diǎn)將在2029年到來，比原計劃提前了16年。
寫到這里，筆者腦海中略過了一個想法：奇點(diǎn)不是已經(jīng)在這里了嗎？第一個跡象是，如圖3所示，單個封裝的計算速度從 2010 年代的“兩年內(nèi)翻倍”迅速提高到 2020 年代的“兩年內(nèi)翻了 16 倍”。
第二個跡象是生成式AI的功能不斷增加和廣泛使用，例如 ChatGPT。我此前認(rèn)為奇點(diǎn)是電影《終結(jié)者》中出現(xiàn)的軍用計算機(jī)“天網(wǎng)”具有自我意識，“機(jī)器將人類視為敵人并在微秒內(nèi)發(fā)動核攻擊”的情況。然而，實(shí)際的奇點(diǎn)并不是這樣的。ChatGPT會遍布全世界，很多人都會使用和依賴這種生成式AI，這不是滲透到大腦中的東西嗎？如果這樣想的話，是不是可以說奇點(diǎn)已經(jīng)到來了呢？在撰寫這篇手稿時，筆者使用了生成式AI。至少對我來說，奇點(diǎn)可能即將到來。親愛的讀者們，您怎么看？
