半导体产业：过往二十年与未来二十年

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自eetimes

未来20年，人工智能有望取得巨大进步。

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2005年，半导体产业规模为2274.8亿美元。到2024年，这一数字增长了2.77倍，达到6305.5亿美元。世界半导体贸易统计组织（WSTS）预测，到2025年，即EETJ20年，半导体产业规模将增长两倍以上，达到7008亿美元。半导体曾只是印刷电路板（用于构成电子电路的元件）上安装的元件之一。2005年，半导体被称为工业大米，但正因为它们是一种元件，所以它们并不特别值钱。

WSTS 预测 2025 年和 2026 年全球半导体销售额。来源：WSTS

半导体是系统的核心

二十年后，半导体已成为系统的核心，是系统重要的大脑或神经。无可替代。如今，所有电子系统都配备了充当系统大脑的半导体，即CPU或微控制器。在半导体中，集成CPU和内存的IC不仅用于微处理器，还用于微控制器、SoC（片上系统）、移动处理器、嵌入式处理器以及几乎所有电子系统中集成CPU和内存的其他半导体。

电子产品内置的处理器和系统级芯片（SoC）已成为所有电子设备的大脑。苹果公司于2007年发明的智能手机彻底改变了我们的生活方式。如今，数码相机已成为标配，任何人都可以随时成为摄影师并发布视频。Wi-Fi还能让用户免费拨打国内外朋友的电话，并进行实时聊天。如今，我们已无法想象没有智能手机的生活。得益于智能手机的优势，人们可以以更低的价格购买商品和服务，贫富差距正在扩大。

智能手机中使用的半导体集成电路（包括移动处理器、内存和存储）集成度越高，就越易于使用，成为人们不可或缺的一部分。在硬件方面，为了延长电池寿命，在保持功耗不变的情况下，集成电路的集成度一直在提高。当这无法满足用户需求时，电池就只能越来越大。随着电路板面积的缩小，半导体也需要提高集成度并降低功耗。

虽然布线和晶体管的微型化在12-11纳米节点停滞不前，但通过引入FinFET晶体管和3D布线技术，单位面积上的晶体管数量有所增加。7纳米工艺节点现在指的是每平方毫米约有1亿个晶体管的集成电路。未来的5纳米、3纳米和2纳米等数字将与实际尺寸的差异越来越大。FinFET晶体管的3D实现、鳍片数量以及布线通孔的缩短和3D布线都被称为设计技术协同优化（DTCO），台积电等代工厂的设计团队现在正忙于为每个工艺节点重建标准单元。

中国台湾半导体评论员Nicky Lu将DTCO的技术描述为从传统的线缩放（也称为微型化）向面积缩放的转变。台积电业务发展和全球销售高级副总裁Kevin Zhang将其称为密度缩放。这两种技术都增加了单位面积上的晶体管数量，以提高集成度，这转化为一种称为xnm工艺的工艺。

紧跟AI的进步

随后，人工智能（AI）应运而生。2012年，人工智能技术凭借运用多层神经网络的深度学习方法，以出色的错误率赢得了图像处理大赛的冠军。加拿大多伦多大学学生亚历克斯·沙舍夫斯基的教授杰弗里·辛顿（Geoffrey Hinton）在大赛中展示了运用人工智能技术的图像识别技术，并因此获得了2024年的诺贝尔物理学奖。当时使用的神经网络被称为AlexNet，它标志着当前人工智能热潮的开始。谷歌子公司DeepMind的首席执行官德米斯·哈萨比斯（Demis Hassabis）等三人获得了诺贝尔化学奖。NVIDIA首席执行官黄仁勋（Jensen Huang）将2012年描述为当前人工智能热潮的大爆炸。

2022年，OpenAI宣布了生成式人工智能（Generative AI），它将能够生成问答问题的答案，甚至可以根据要求生成图片和声音。未来20年，人工智能和生成式人工智能将相继出现，各种提供服务的人工智能、将数据从一个人工智能传递到另一个人工智能的代理人工智能，以及智能机器人和无人机等实体人工智能将迎来人工智能时代的到来。

从技术角度来看，开发推理型人工智能的挑战也已拉开帷幕。此前，人工智能无法解释其推理结果为何相同，但现在它将能够提供答案。这将需要消耗更多代币（生成型人工智能使用的基本信息单位），从而需要更强大的半导体。即使驱动人工智能的“大脑”——半导体集成电路的微型化进程停止，提高集成密度的技术仍将持续发展。

未来的电子技术将朝着人工智能的方向发展，现有的CPU和内存很可能也会随之发展。例如，CPU控制着人工智能芯片（GPU和FPGA）。未来人工智能和人工智能代理也有可能采用基于CPU的数据流架构。为此，RISC-V内核正在开发中，这是继x86和Arm架构之后的第三代CPU架构。截至2022年，搭载RISC-V内核的IC出货量已达100亿颗。

不要重蹈日本覆辙

密切关注新技术趋势将变得越来越重要。过去20年来，半导体行业的驱动力从电子技术转向IT技术，这是一个重大转变。因此，我们必须时刻关注IT领域的新趋势。

日本电子产业过去失败的原因之一，就是忽视了计算机小型化这一趋势。大型计算机曾推动了计算机技术的发展，但当时人们更倾向于低成本、可随时使用的计算机，而不是“超”高性能的大型计算机。这导致了小型计算机、办公计算机和工作站等经济实惠型计算机的普及。最终，个人计算机（PC）的数量从每个部门或科室几台减少到每人一台。

一位日本DRAM行业的CEO并未意识到这一趋势，在接受采访时，他对三星电子和美光科技的低成本DRAM做出了回应：“我们不想卷入价格战”，并坚持萎缩的大型机市场，而忽视了正在增长的个人电脑市场。其后果显而易见。

然而，日本计算机部门的工程师们也同样如此，他们不接受计算机小型化趋势。“第五代计算机”项目本应是尖端技术。其成果也与半导体一样。

时刻关注 IT 趋势

未来20年，密切关注包括AI在内的IT趋势，并规划和开发这些趋势所需的半导体至关重要。这些IT技术将催生新的市场。例如，汽车行业目前正在关注软件定义汽车（SDV），这项技术成功融合了物联网、AI和5G等IT趋势。虽然如今很少有像个人电脑和智能手机这样的爆款产品出现，但利用新IT趋势的产品必然会出现。

然而，“IT”一词似乎已被“数字化”一词取代。此外，“物联网系统”一词也被“数字化转型 (DX)”一词取代。读者可能已经注意到这些术语的过度使用，但重要的是要注意这些熟悉术语的突然变化。

此外，了解市场至关重要，研究其规模也至关重要。NVIDIA于1993年开发用于计算机图形的 GPU 芯片时，率先瞄准了日本游戏市场作为应用领域，因为他们预计该市场将迎来大规模出货。NVIDIA 的目标是打造逼真到难以分辨是照片还是绘画的图形，而不是看起来像图片的游戏。这正是他们的技术优势所在。然而，由于对业务有利，他们采用了 I/O 接口电路的标准规格。