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。

近年來，摩爾定律已達到極限。然而，即使摩爾定律達到極限，集成電路密度的增加也無法停止。整個社會向數(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體。

如何才能不斷提高集成電路的集成度?半導體產(chǎn)業(yè)將如何變化?未來半導體產(chǎn)業(yè)重要的是什么? 本文采訪了東京大學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見到摩爾定律可能達到其極限？

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

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

問：你認為，社會將從資本密集型、工業(yè)化社會演變成知識密集型、以知識為基礎的社會。請告訴我們什么是知識社會，以及半導體在知識社會中將扮演什么角色。

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

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

另一方面，在知識社會中，數(shù)據(jù)是關鍵。通過使用機器學習處理大量數(shù)據(jù)，各種使用人工智能的服務正在社會中實施。

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

在向消費者提供使用數(shù)據(jù)分析的服務時，會使用智能手機等設備。智能手機充滿了半導體。

在知識社會中，半導體無處不在。屆時，半導體將不再局限于零部件行業(yè)。半導體可以成為知識社會的基礎設施。

問：與推動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)在需要對芯片進行三維集成？

黑田東彥：由于工藝節(jié)點在40nm左右，即使進一步小型化，晶體管的價格也不再下降。

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爭的時代。

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

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

下一個競爭軸是績效和時間。這里的“時間”是指“我們能夠多快將產(chǎn)品推向市場？”

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

這就是為什么我們需要敏捷。敏捷是半導體的新價值。

在軟件行業(yè)，時間已經(jīng)是一個競爭軸。快速開發(fā)，發(fā)布到市場，并根據(jù)用戶反饋進行升級。我相信未來半導體也需要類似的方法。

問：你認為，隨著工業(yè)化社會向知識社會的轉(zhuǎn)變，半導體需求將從通用芯片轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ眯酒槭裁粗R社會對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。

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

通用芯片的設計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什么”這一明確目標的半導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領域的性能。

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間，大約有 200 名工程師共同努力。僅此一項的投資額就約為500億日元。如果進一步投入制造的話，大概要花費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。

有很多人認為，“我想做這種業(yè)務或使用人工智能提供服務。” 這些人根本沒有資金購買專用芯片。

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)將新想法落實到社會中。如果我們能做到這一點，新的商業(yè)和服務將會在社會上層出不窮。

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

制造半導體最耗時且成本最高的過程是芯片開發(fā)。通過實施 80 點芯片開發(fā)流程，可以顯著減少時間和成本。

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。

研究世界是非常嚴格的。如果有一天你落后于世界其他地方，你的研究將永遠不會見光。

天文學家、地球科學家、經(jīng)濟學家等都在處理大量數(shù)據(jù)的學術領域展開競爭。挑戰(zhàn)在于計算數(shù)據(jù)的速度有多快。一些研究人員希望超級計算機配備自己的人工智能功能。

我們生活在一個擁有自己的超級計算機的研究人員可以最快地得出研究結(jié)果的時代。

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

最終，擁有使用專用芯片進行研究經(jīng)驗的學生將進入勞動力市場。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，我希望對敏捷、專用芯片的需求將逐漸滲透到工業(yè)界。