重磅摩爾定律死亡？權威報告：2021年晶片只能向3D轉型

新智元編譯

在新智元後台回復0725，可下載報告「More Moore」。

本月早些時候公布的「2015年半導體國際技術路線圖」（ITRS）顯示，經過50多年的微型化，電晶體的尺寸可能將在五年後停止縮減。

該報告預測，在2021年後，繼續縮小微處理器中電晶體的尺寸，對公司而言在經濟上不可取。

相反，晶片製造商將用其他方法增大電晶體密度，即將電晶體從水平結構，轉變為垂直結構並建造多層電路。

一些人認為，這一變化相當於是宣布摩爾定律的終結。

雪上加霜的是，這是最後一份ITRS路線圖。

ITRS由美國發起，而後擴展到全球，已有20年的歷史，現在卻走到了終點。

1971年到2016年，全球半導體行業根據摩爾定律，在電路板上容納的電晶體數量

半導體特性不再由半導體公司決定

因為行業參與度的減少以及打算著手其他項目，美國半導體行業協會（SIA）——美國的一個貿易集團，代表IBM、英特爾以及華盛頓其他公司的利益，是ITRS的主辦方之一——將離開ITRS，與半導體研究公司（SRC）合作，參與政府和行業支持的重點研究項目。

ITRS的其他參與者將以新的名義繼續制定路線圖 ITRS 2.0，並將其作為IEEE計劃「Rebooting Computing」的一部分。

ITRS的轉變似乎只是微小的行政變動。

但是，VLSL公司的分析員Dan Hutcheson表示，這是行業的大地震。

20世紀90年代早期，為了制定路線圖，美國的半導體公司進行合作、確定共同需求，最終於1998年成立了ITRS。

Hutcheson說，供應商很難知道半導體公司需要什麼，因此，晶片公司就要集體制定優先次序以便充分利用有限的研發資金。

然而，按照摩爾定律的規律發展，給各個公司帶來困難和大的開支，導致行業內出現重大整合。

據Hutcheson統計，2001年有19家公司開發、製造裝有先進電晶體的邏輯晶片。

而今天，只有4家公司：英特爾、三星、台積電和GlobalFoundries（此前，IBM也屬於這一行列，只是近期將其晶片製造廠賣給了GlobalFoundries）。

Hutcheson表示，這些公司有自己的路線圖，可以直接與自己的設備和材料供應商交流。

此外，它們之間的競爭十分激烈。

「這個行業已經變了，」ITRS的主席Paolo Gargini說，但是他還強調了其他的轉變。

不再自己製造尖端晶片的半導體公司，靠的是工廠為其晶片提供先進技術。

Gargini還說，晶片購買方和設計方，如蘋果、谷歌和高通，越來越能決定未來晶片的要求。

「以前，是半導體公司決定半導體的特性，而現在的情況完全不同。

」

ITRS 2.0：摩爾定律並沒有死亡

最新的這份ITRS報告的命名是ITRS 2.0。

這一名稱反映了計算的改進不再是來自自下而上的推動——使用更小的交換機和密度更大、速度更快的內存。

相反，現在更多的是依靠自上而下的方法，注重能促進晶片設計的各種應用，如數據中心、物聯網和移動設備。

實際上，在2014年4月，ITRS 委員會便宣布，他們決定重組 「ITRS 路線圖」，以適應半導體行業不斷發展的需求。

新的 ITRS 2.0 將聚焦 7 大主題：

1. 系統集成：關注如何從設計上在計算機體系架構中整合異構模塊

2. 系統外連接：關注無線技術

3. 異構集成：如何將不同技術集成為一體

4. 異構組件：MEMS、傳感器等其他系統設備

5. 非 CMOS 結構：自旋電子學、憶阻器以及其他不是基於 CMOS 的設備

6. 摩爾定律升級（More Moore）：繼續關注 CMOS 元件縮小

7. 工場集成：關注新的半導體生產工具和工藝

這次新發布的報告，就屬於「摩爾定律升級」研究組的成果。

根據最近的新聞報導，新的IEEE路線圖——International Roadmap for Devices and Systems——也將使用這種方法，但是會增加計算機體系結構，允許「一個全面的、端到端的計算生態系統視圖，包括設備、組件、系統、體系結構和軟體」。

對比2013年報告與2015年報告可以發現，半導體體積將在2021年迎來巨變

2014年，上一份 ITRS 報告預測，電晶體微型化仍是長期趨勢。

該報告預測，至少在2028年前，電晶體的柵極長度——電流必須在電晶體流過的距離——以及其他重要邏輯晶片的尺寸將繼續縮小。

可是，自2014年以來，三維架構的概念發展越來越快。

內存產業已經轉向了三維架構，以減輕微型化的壓力和提高NAND Flash的容量。

單片三維集成——建造多層設備，層層疊加，彼此用密集的電線相連——也成為越來越受歡迎的討論主題。

新的報告包括了這些趨勢，預測了傳統晶片尺寸縮小的趨勢將於本世紀20年代初終結。

但是，摩爾定律終結這個觀點是「完全錯誤的」。

Gargini 說，「媒體想出了各種方式來解釋摩爾定律，但是，摩爾定律只有一個定義：電晶體的數量每兩年增加一倍。

」 他強調：摩爾定律只是簡單地預測，給定的一個集成電路區域能容納多少電晶體，而不管是在單層的還是多層的晶片。

如果有哪一家公司願意，它在2020年後也可以繼續縮小電晶體的尺寸，只不過使用三維晶片要更划算——這就是報告想傳達的信息。

換句話說，通過使用3D堆疊等新的技術，短期內晶片的電晶體密度將繼續提高。

這也是 ITRS 2.0 「持續關注CMOS 元件縮小」的原因。

物聯網時代的到來，將產生數以百億計的連接設備，每台設備都需要相應的晶片。

而且，不同於PC和手機，很多物聯網終端不需要太強的本地計算能力，半導體廠商並不需要繼續突破硬體的物理極限，他們面前已經出現了新的市場和趨勢——軟體與硬體的結合越發緊密。

在這種新常態下，雲計算、軟體，以及全新的計算架構將成為未來計算技術進步的關鍵。

與以往首先改善硬體，軟體隨後跟上的趨勢不同，以後半導體行業的發展將會呈現以軟體為主導的軟硬結合新思路：先看手機、物聯網設備及數據中心等軟體的需求，再回過頭來決定支持這些軟體和應用需要怎樣的處理能力，並由此規劃硬體的設計。

未來半導體發展

同時發生的還有其他的變化。

ITRS預測，幾年過後，在使用三維集成之前，前沿晶片公司將放棄現在用於高性能晶片中的電晶體結構：鰭式場效應電晶體FinFET（見上圖）。

在FinFET的架構中，柵門成類似魚鰭的叉狀3D架構，可於電路的兩側控制電路的接通與斷開。

據這次的路線圖顯示，晶片製造商將會放棄FinFET，選擇另一種電晶體——具有橫向環繞柵極，有與FinFET類似的水平通道，但是被一個向下延伸的柵極包圍（見下圖）。

在那之後，電晶體將變為垂直架構，通道將採用支柱的形狀，或是納米線豎立著。

傳統矽通道也將被其他材質的通道取代，即矽鍺、鍺、來自元素周期表第III和V列元素組成的化合物。

這些變化將使得晶片廠商能在同樣大的區域裝下更多的電晶體，這也就遵守了摩爾定律。

報告指出，半導體行業在短期（2015 年到2022年）和長期（2023年到2030年）所分別面臨的挑戰將是：

短期

1. 矽基CMOS尺寸縮小

2. 高遷移率溝道材料的實現

3. DRAM 和 SRAM尺寸縮小

4. 高密度非易失存儲尺寸縮小

5. 材料，製程、結構變化及新的應用的可靠性

長期

1. 先進多柵結構的實現

2. 新存儲結構的研發與實現

3. 新器件、結構和材料的可靠性

4. 功耗下降

5. 多種功能的集成

但是，遵循摩爾定律的精神——計算性能穩定增長——則是另外一回事。

2015年，IEEE計算機協會主席和IEEE重啟計算項目的聯合領導人Tom Conte表示，電晶體密度增加一倍，有時並不等同於計算性能提高。

長期以來，電晶體尺寸縮小意味著速度更快。

然而Conte說，在上世紀90年代中期，電晶體數量越來越多，但由此導致的能耗也越來越大，反而導致計算速度延遲，於是工程師重新設計的晶片的微體系結構來提高性能。

十年過後，電晶體的密度已經非常大了，逼近極限。

晶片廠商不得不在電路板上封裝多核晶片以維持情況，這也是IEEE提出新路線圖的原因。

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