乐鱼电子-两大趋势：另眼看半导体行业发展史

本文从不雅察到的两个有趣的市场与宏不雅趋向出发，来不雅览这高速成长、属在人类技能与出产力厘革史的后续四五十年。

半导体成长史可以追溯到19世纪。只管其时的化学与物理还没有于微不雅层面成立完备的理论系统，但1833年法拉第对于在电磁学的研究险些可以视为半导体行业的初步。1873年，电气工程师发明硒电阻具备光电导性，并于后续几年又发明了硒的光伏效应。于此基础上，很多科学家最先倡议对于差别质料电气性子的研究。2GVesmc

1897年，人类发明了电子，载流子挪动为固态质料导电理论提供了主要依据。1910年，“半导体(Semiconductor)”还没有正式被定名为“半导体”，有研究职员称其为“可变导体(VariableConductor)”。1931年，能带理论的提出初次以科学模子注释了固体质料导机电制，金属半导体结特征首度有了建模，随即p-n结、少数载流子的观点随之呈现。2GVesmc

固态二极管隆重登场，施加电压后，电子从晶体的“发射极(emitter)”一侧走向“集电极(collector)”一侧，这类征象最先被称作“半导电(semiconduction)”。贸易企业、知名高校都投入到半导电的相干研究中，锗同样成为最初构建二极管的“完善”选择。对于二极管耗尽区认知的深切，让研究职员意想到于发射极(emitter)及集电极(collector)以外，还有需要第三极用在节制跨结的电子流动举动。2GVesmc

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图1：1947年问世的晶体管；来历：Wikipedia2GVesmc

以是于1947年，p-n-p锗晶体管呈现，“晶体管(transistor)”一词登上汗青舞台，着手这项研究的几名焦点团队成员也是以得到了诺贝尔奖（图1）。受制在锗的温度敏感性及纯度与良率问题，硅很快成为半导体质料的更优选择。德州仪器(TI)开发出了首个基在硅的晶体管。20世纪50年月的晶体管每一年都于不停进级，此刻咱们所知的平面晶体管布局脱颖而出，对于整个半导体行业的影响一直延续到了今天。2GVesmc

基在其时结型晶体管的实用性问题，前沿技能研究职员遍及认为场效应晶体管(FET)会成为下一步。加之给硅晶圆涂覆氧化硅绝缘层——也就是金属氧化物半导体(MOS)工艺，1959年首个MOSFET问世。不久，德州仪器(TI)又很快造出了最早的集成电路(IC)，或者者叫芯片。仙童半导体(FairchildSemiconductor)则采用平面工艺真正造出了全世界首个单片集成电路。2GVesmc

1963年，仙童半导体推出了名为互补金属氧化物半导体(CMOS)的新技能，这真正成为后续摩尔定律推进的基础，让更多的晶体管可以或许集成于单片芯片上。20世纪70年月，首个计较机微处置惩罚器的呈现也就变患上瓜熟蒂落了。跨越10,000个晶体管集成于统一片芯片上，名为“超年夜范围集成电路(VLSI)”的芯片广为人知，家电、通信装备、商用呆板都最先利用如许的芯片。20世纪70年月到80年月，小我私家电脑(PC)的风潮也随即到来。2GVesmc

以上咱们简朴回首了电子、半导体及芯片的成长史。20世纪80年月《国际电子商情》的创刊至今已经有40年的汗青，也才有了更进一步书写的余地。不外，仅基在汗青节点及技能里程碑来先容这几十年，不管怎样也有些无趣。是以，笔者决议从不雅察到的两个有趣的市场与宏不雅趋向出发，来不雅览这高速成长、属在人类技能与出产力厘革史的后续四五十年。2GVesmc

人们经常意想到，战役、军事、航空航天等范畴是鞭策科学技能前进的主要动力。人类汗青上的三次科技革命都遵照了这一纪律：一项进步前辈技能往往起首降生在军事或者其他尖端范畴，跟着技能成熟度的晋升，产物逐渐实现年夜范围量产并降低成本，终极流向商用或者平易近用市场。这类“自上而下”的技能普和模式于多个行业中都遍及存于。2GVesmc

凡是咱们将这称作“自上而下”的技能普和、流向历程——现实上，不只是科学技能范畴，许多行业都有相似的成长模式。一个可能很多人耳熟能详的例子是：如今人手至少一台的智能手机。摩托罗拉在二战时期制造出了手持的AMSCR-536无线电通讯装备，对于在战役时期的通讯起到了相称年夜的作用。摩托罗拉也是二战军事出产合同中美国TOP100企业之一。2GVesmc

值患上留意的是，1969年尼尔·阿姆斯特朗(NeilArmstrong)代表全人类登月时，经由过程通讯装备说出的那句“这是小我私家的一小步，倒是人类的一年夜步”，也是借助摩托罗拉的收发器完成的。这些均可以说是手机作为挪动通讯装备的雏形或者初期技能贮备。是以，直到1973年摩托罗拉展示首个手持挪动德律风也就屡见不鲜了。到1983年摆布，其首个蜂窝数据挪动德律风商用，1998年手机营收已经占到其总营收的三分之二。2GVesmc

以上例子充实表现了电子科技具有“自上而下”的流向特色。假如零丁不雅察半导体技能，则更易发明这些技能最初自军事、航天、国度安全运用最先，后续才逐渐走向平易近用的特色。例如，昔时鞭策真空管进化的恰是二战时期的军事工程师，由真空管检测跨越4,000MHz射几次率的限定测验考试做技能冲破所动员。而最初锗晶体管的降生及完美，也是由战役时期的军事雷达体系需求鞭策的。2GVesmc

半导体技能也遵照了这一成长路径。例如，真空管技能的进化患上益在二战时期军事工程师的努力，而锗晶体管的降生及完美则是由战役时期的军事雷达体系需求鞭策的。二战竣事后，半导体及晶体管技能最先转向商用市场。20世纪50年月，西电(WesternElectric)是最早实现锗晶体管商用化量产的企业。随后，晶体管技能逐渐于小我私家用户中普和，收音机成为晶体管技能周全实现量产及普和的初步。2GVesmc

二战竣事后，半导体、晶体管技能结果最先转向商用。20世纪50年月，西电(WesternElectric)是最早具有点触锗晶体管商用化量产能力的企业。于“自上而下”的技能还没有周全触达消费级市场时，锗晶体管最早运用在Sonotone的助听装备和AT&T的通讯装备中——这已经经是最早的商用案例了。2GVesmc

晶体管、半导体周全涉及小我私家用户，是于收音机这种装备上，或者者说收音机是晶体管技能周全实现普和及量产的初步。1953年，德国企业Intermetall初次展示了晶体管收音机原型产物，这个原型装备中有4个纯手工制造的晶体管；1954年，首个商用晶体管收音机问世，名为“RegencyTR-1”，此中的锗晶体管来自德州仪器(TI)。2GVesmc

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图2：昔时的晶体管收音机内部布局；来历：Wikipedia2GVesmc

日本的东京通讯工业股份有限公司(此刻的索尼)在1957年发布了全世界首个年夜范围量产的晶体管收音机TR-63，到20世纪60年月中期，其销量到达了700万台，盘踞了昔时便携式收音机市场的绝年夜部门份额。随后，夏普、东芝之类的企业也接踵进入消费电子市场。近似的例子于半导体、电子范畴不乏其人，好比20世纪60年月初期，集成电路降生之初重要供给美国空军及NASA利用。2GVesmc

但到了近代，特别是千禧年之后，这类“自上而下”的年夜趋向发生了必然水平的“逆转”。这类“逆转”趋向与半导体系体例造技能、芯片设计难度连续增长有很年夜瓜葛。如今，半导体系体例造范畴一个比力典型的特性是：尖端制造工艺险些仅合用在消费电子装备及一部门高机能计较(HPC)数据中央市场。甚至于台积电3nm工艺走向市场的一年时间里，盘踞年夜部门产能的也仅有苹果这一个面向消费电子市场的年夜客户。2GVesmc

这是由于半导体、芯片和更多上层技能的繁杂度已经经到了“不走范围化量产线路，就不足以支撑其天价成本”的水平，纵然是对于成真相对于不那末敏感的航天、军事市场也是云云。2GVesmc

笔者于下文中枚举了两个技能趋向逆流的例子，展示了从“自上而下”变为“自下而上”的有趣变化。2GVesmc

其一是，运用于火箭、卫星、宇宙飞船等航天装备中的半导体和芯片，需要颠末“航天级”的年夜量初样试验才有资历真正走向太空。与兵工级产物比拟，航天级产物还有需要思量抗辐射、抗滋扰能力，可以说是第一流另外规格尺度。传统的封装方案对于芯片的掩护有限，于遭受太阳风高能粒子流时轻易发生穿透性毁伤，致使芯片内部电路功效掉效。是以，抗辐射加固需要从设计及工艺两方面举行。2GVesmc

但于SpaceX周全验证了航天财产贸易化的可行性以后，该公司的模式于很年夜水平上倾覆了火箭开发的全流程。SpaceX把更多的精神投入到仿真算法及软件范畴，指望用仿真技能来解决更多问题，而不是重要依靠传统的高成本什物试验。基在如许的前期投入，现如今SpaceX勇于利用一些传统意义上的非宇航级器件，好比其主控会思量选择XeonE5这种工业级芯片，而且做到了充实验证。2GVesmc

这一案例相称年夜水平地表现了今世技能“自下而上”的逆流。2GVesmc

而谈到数字仿真，顺带提到第二个例子。2020年，EpicGames曾经于其官网发表过一篇题为《SimCentric用空幻引擎批量开发军事战术模仿练习》的文章，提到Australia的SimCentricTechnologies公司为世界各地的军事构造提供模仿军事练习办事。早于2020年以前，这家公司就最先采用空幻引擎作为他们所有模仿产物的基础，加快产出种类更多的产物。2GVesmc

现实上，部门国度及地域最先采用游戏开发引擎或者者借助游戏MOD(游戏模组)成立军事仿真体系可能比这一时点还有要早数年。特别因此《战地4(Battlefield4)》为代表的3D游戏揭示出惊人的传神情况，更高分辩率的纹理及粒子效果，甚至连游戏中的枪弹物理下坠体系都获得了增强。2GVesmc

部门游戏对于实际世界的场景还有原近乎1:1的出现，也令早年“自上而下”的技能模式感应了赞叹。平易近用范畴图形与物理引擎技能栈的成熟度此时已经经相称高——或者者说其经济性及实用性至少高在某些国度级单元或者机构所能拿出的解决方案。仿真效果撑持技能，重要聚焦效果衬着、体验加强等方面。这些技能的应用于军事仿真中极年夜地晋升了作战效果的出现，为参训者提供了传神的沉浸式体验。2GVesmc

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图3：步步高升的芯片行业，正面对转向2GVesmc

更不消说近两年还有常有美军利用改装版的Xbox游戏手柄作为各种进步前辈体系节制器的新闻见诸报端。这些都能表现早年“自上而下”趋向于这一时代的相称水平的逆流。这类逆流趋向于千禧年后逐渐闪现威力，并于本世纪10年月变患上不足为奇。2GVesmc

特别于21世纪10年月时期，AlexNet借助GPU举行神经收集计较加快，塑造了新一轮AI技能趋向，而这一技能彻底降生在“下位”。直至天生式AI以和于NVIDIA眼中的“下一个ChatGPT时刻”的呆板人AI技能，都将极年夜地为原先的“上位”运用赋能。换言之，第三次技能革命成长至今，技能前行的原始驱动力已经经从之前的“上位”，换到了此刻的“下位”，贸易化盈利成为今世半导体技能迭代的重要驱动力。2GVesmc

技能走向“逆流”的趋向缘故原由探究起来很繁杂。仅从本行业的角度切磋，缘故原由就是电子构建起的整个技能帝国正变患上愈来愈繁杂、成本愈来愈高。这好像与第三次科技革命——即信息技能革命的主旋律是不符的。高中汗青书明确提到，第三次科技革命的特色包括产物生命周期短、迭代速率快，同时不异产物和技能含量的成本随时间推移年夜幅降落，动员单元时间内的出产力成本降落。2GVesmc

而第三次科技革命滔滔向前的底层动力，恰是半导体系体例造范畴闻名的“摩尔定律”。依托摩尔定律的推进，电子科技也能梳理出一篇属在本身的独占汗青。每一12-18个月，单元面积内的晶体管数目就翻番，且成本不停降落，恰是鞭策芯片、硬件体系、软件和运用快速成长的基础。2GVesmc

绝年夜部门读者对于摩尔定律所反应的半导体技能进级没有明确的量级观点。假如要举例的话，1976年DRAM范畴的热点产物，容量仅16Kb的MostekMK4116，其每一平方英寸PCB仅有1.5个器件，功耗约莫是0.432W，售价10美元。2GVesmc

假如咱们假设摩尔定律其实不存于，那末此刻PC小我私家电脑中已经经普和的16GB内存，若将1976年的MK4116举行暴力的范围化放年夜，则其占地面积会到达3.7万平方英尺，售价为8,000万美元，耗电为惊人的3,500kW。2GVesmc

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图4：发表在1974年ElectronicDesign杂志的Mostek4KDRAM先容2GVesmc

根据每一千瓦时电费0.1美元计较，对于在如许一颗想象中的16GB内存，每一个月要为其支付的电费就要到达25万美元。而现实上，此刻电商平台的16GBDDR4内存售价只需两三百元。不知昔时GordonMoore于《Electronics》杂志发表有关摩尔定律的文章时，是否想过几十年后16GBDRAM对于平凡小我私家用户而言也变患上唾手可患上。2GVesmc

假如加之通胀的考量，从1976年至今，DRAM成本降落了99.9999995%，功耗则降落了99.9999993%，每一bit成本降落数目级到达了1,000万倍。这还有是于今世人们总谈起存储墙和存储器件的成长速率远不和数字逻辑电路的环境下。现实上，就数字处置惩罚器范畴来看，从1971年的Intel4004到今世的处置惩罚器，其经济效率晋升幅度跨越了10亿倍。2GVesmc

如许的案例让咱们看清了摩尔定律于已往几十年的成长威力。再转头看今世IP、EDA及芯片设计企业所说的“将来10年要实现芯片机能的千倍晋升”，也觉得稀松寻常了。这时候的摩尔定律无疑是第三次科技革命的策动机。2GVesmc

摩尔定律的底子，说穿了无非是半导体器件的连续微缩，以和集成电路于单元面积内的晶体管堆患上愈来愈多。从另外一个角度来看，这一趋向体现的毫不只是芯片机能的晋升及功耗、成本的降落，还有于在芯片设计与制造繁杂度的显著晋升。2GVesmc

芯片繁杂度的晋升至少带来了两个后果：2GVesmc

(1)行业细分，更多市场脚色呈现，原有贸易模式也随之发生变化。由于靠一家企业已经经没法解决所有问题，且更高的成本也要求市场多脚色来分摊危害。2GVesmc

早年像IBM如许一家企业就能包办芯片设计、制造与封装的时代一去不复返——究竟于20世纪70年月以前，连像样的CAD东西都没有，光掩膜都靠手工刻。即便CAD介入设计辅助，早期的设计东西也能够彻底本身解决，那时也无从谈起Fab制造厂作为芯片或者半导体企业的资历。2GVesmc

1979年，《超年夜范围集成电路体系导论(IntroductiontoVLSISystems)》一书发布，并于行业中流行之后，首个SiliconCompiler编译器软件就呈现了，这使患上基在用户需乞降规格天生集成电路设计成为可能。“Fabless”的观点走向实际，芯片设计与制造可以分隔举行。半导体公司于按照客户需求设计完芯片之后，彻底可以将制造流程外包给代工场。2GVesmc

EDA/IP这种市场脚色和半导体供给链和价值链上的差别介入者呈现，以和更多贸易模式的涌现，于市场高速成长的年夜情况下，可以视作分摊危害并将蛋糕连续做年夜的历程。但当芯片繁杂度再上一个台阶时，半导体技能更多地向物理极限看齐，环境就再也不这么乐不雅了。2GVesmc

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图5：2010-2024年iPhone所用APSoC芯片工艺变迁制图/来历：电子工程专辑2GVesmc

(2)此时，摩尔定律也最先从原本是第三次科技革命策动机的脚色，逐渐走向平淡，甚至沦为拖油瓶。那末芯片繁杂度毕竟晋升到了何种水平呢？去年，笔者于《国际电子商情》姊妹刊《电子工程专辑》以iPhone为标尺发文总结过“关在人们常说的摩尔定律放缓，毕竟缓到了何种程度(图5)”。2GVesmc

其时，笔者总结称，从2010年iPhone4的手机APSoC采用45nm工艺，到去年iPhone16的APSoC基在3nm工艺的这14款iPhone手机和其芯片，7nm工艺用于了两代产物上，5nm则延续了3代(包括5nm改进款的4nm)，3nm用上4年也不是不成能。2GVesmc

另外一方面，半导体系体例造的尖端工艺节点成本每一年连续爬升。美国半导体行业协会前些年的数据显示，已往25年，新工艺节点成本每一年推升13%——而近些年这个数值预计还有有年夜幅蹿升。半导体尖端工艺制造成本的推升速率已经经跨越了市场价值的年复合增加率(CAGR)。2GVesmc

以是，技能迭代速率放缓、技能与产物价格上涨成为一定。Marvell前些年就明确提到，芯片之上的每一亿门(100milliongates)制造成本于28nm工艺前还有于稳步降落，但自20nm以后，这个数字就逐年持平，甚至还有有小幅爬升。换句话说，芯片之上单元器件的造价此刻是于晋升的。2GVesmc

以是，2017年苹果初次将iPhoneX的顶配价格提到万元人平易近币高度时，市场还有体现出一片哗然。而2025年的今天，iPhone旗舰款的平凡配置过万已经经被市场视为常态。另外一个相似的例子是，10年前的GeForce“甜品卡”还有锚定于千元程度，显然及此刻甜品卡价格涨了至少1.5倍已经经不是一回事了；平易近用市场旗舰级显卡标定1.5万元人平易近币都是平常。2GVesmc

至此，咱们可以认为，以摩尔定律为依据的电子与半导体行业已往四五十年的成长，是从一度的超高速，成长到了此刻的趋缓甚至行动盘跚。那末，以技能自下而上流动为征象——阐明贸易化、盈利是现如今技能成长的最年夜驱动力；到追本溯源看半导体技能繁杂度和成本爬升，令原有成长模式举步维艰……2GVesmc

从种种迹象来看，这是否都象征着第三次科技革命已经经行进至终章？2GVesmc

这里咱们不做“逾越摩尔”“MorethanMoore”之类的通例延长。所谓进步前辈封装动员的摩尔定律连续迈进，以致半导体系体例造价值链的变迁，其实不是真的于延续摩尔定律。由于摩尔定律的底子就因此器件微缩为依托的，封装或者“中道”技能的插手，其实不能告竣这一方针，即便它们能于必然水平上减缓问题。2GVesmc

但要回覆这个问题，咱们简直有两个角度的思索。一是为何人们这两年都爱谈异构集成、加快计较、Chiplet、进步前辈封装、RISC-V，以和从通用走向DSA架构的市场趋向；已往一年则已经经明确到了以运用为导向的芯片设计——说白了也就是按照场景来设计芯片。2GVesmc

细心想想，这些“趋向”呈现的底子缘故原由无非就是摩尔定律的放缓。或者者说，惟有经由过程架构设计、上层软件和体系层面的通力优化，才能于摩尔定律放缓的年夜条件下，满意人类对于数字技能依旧饥渴的成长需求。2GVesmc

究竟，社会的数字化水平还有远低在人们的预期：好比药物发明、生命科学、航空航天这些范畴的数字仿真技能普和率，有些连1%都还有不到。传统行业的数字化转型机缘对于半导体和整个电子财产而言，还有是具有广漠的市场空间的。这是需求层面的条件。2GVesmc

以是于第二点的“供应侧”，即满意这一需求的新技能层面，Chiplet、进步前辈封装、DSA专用计较、从体系层面思量问题等方案天然一个也不克不及少，还有有CFET、量子计较之类更具将来感的技能。2GVesmc

不外咱们认为，回覆这个问题，可以相对于实事求是地借助GeForce显卡来坐井观天。GeForce显卡作为平易近用范畴的加快器产物，运用Chiplet也是早晚的事，于上述“逾越摩尔”及“以运用为导向”(特别Transformer引擎的插手)、“DSA”等标的目的上都具备代表性。2GVesmc

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图6：为何咱们总说行业的将来要看AI？2GVesmc

于GeForceRTX20系和更早的GPU芯片上，NVIDIA无疑是吃到了摩尔定律盈余的，特别于机能晋升及功耗降落上。只不外抛开图形学和相干软件技能及尺度上的功夫不谈，那时的GeForce简直极端凭仗摩尔定律来成长图形衬着机能及功效。2GVesmc

但这两年，NVIDIA对于在GeForce显卡堆料的重点已经经不于图形衬着单位上了，由于受制在摩尔定律放缓，于图形计较上堆料虽然可行，但收益却小了许多。以是NVIDIA选择把晶体管堆料重心转向了TensorCore如许的AI加快单位。2GVesmc

RTX40系显卡问世时，NVIDIA传播鼓吹这代产物的游戏机能晋升了4倍。此中至少有2-3倍的晋升是AI带来的，即借助AI技能来实现帧率及分辩率的晋升。到RTX50系，更是每一16个像素中，就有15个是AI天生的，只有1个是GPU衬着的。可见于AI标的目的上堆料的收益，已经经远高在传统思绪的图形和通用计较单位堆料。2GVesmc

这于咱们看来，也许就是一个时代的写照。虽然很多人还有不认可AI天生的像素或者帧属在机能晋升，但于咱们看来，摩尔定律的放缓会迫使一代人不能不认可AI的价值。而AI显然会于后续10年内，成为接替摩尔定律，于全社会数字化转型和算力晋升需求眼前饰演焦点脚色，即便摩尔定律和“逾越摩尔”依旧十分主要。2GVesmc

半导体和整个电子财产也将迎来一轮新的厘革。2GVesmc