臺(tái)積電靠什么讓摩爾定律再“活”三十年？

如果您認(rèn)為英特爾是推動(dòng)并維持摩爾定律的最大貢獻(xiàn)者，那您可能還沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò) Philip Wong 對(duì)這個(gè)問(wèn)題的觀點(diǎn)。Wong 是臺(tái)積電的研發(fā)副總裁，最近在 Hot Chips 會(huì)議上做了一個(gè)演講。他說(shuō)，摩爾定律不僅現(xiàn)在還在奏效，而且，如果有了正確的技術(shù)訣竅，在未來(lái)三十年它將繼續(xù)適用。

“摩爾定律并沒(méi)有死，”他告訴 Hot Chips 的參會(huì)者?！八鼪](méi)有慢慢走向死亡，而且現(xiàn)在還很管用。”

Wrong 表示，維持摩爾定律的關(guān)鍵是不斷提高器件的密度。他承認(rèn)，隨著 Dennard 縮放定律的死亡，時(shí)鐘速度已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定水平，但是晶體管的密度將繼續(xù)提高芯片的性能和能效。

最終，采用什么樣的方式實(shí)現(xiàn)更高的密度并不重要。根據(jù) Wong 的介紹，只要半導(dǎo)體公司能夠在更小的空間內(nèi)集成更多的晶體管并提高能效，摩爾定律就可以延續(xù)。在短期內(nèi)來(lái)看，可能需要通過(guò)傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，即改進(jìn) CMOS 工藝技術(shù)，從而制造出具有較小柵極長(zhǎng)度的晶體管。

臺(tái)積電目前正在蝕刻 7 納米的晶體管，正在前往下一站 -5 納米。Wong 表示，5 納米節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，臺(tái)積電已經(jīng)開(kāi)始了風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)。也就是說(shuō)，工藝節(jié)點(diǎn)和設(shè)計(jì)工具都已經(jīng)完成了，并且正在試生產(chǎn)晶圓。在上一次財(cái)報(bào)電話會(huì)議上，臺(tái)積電表示，計(jì)劃將在 2020 年上半年開(kāi)始量產(chǎn) 5 納米芯片。而且，根據(jù)臺(tái)積電的產(chǎn)品線技術(shù)路線，接下來(lái)還會(huì)有 3 納米節(jié)點(diǎn)。

但是，所有這些技術(shù)都是用來(lái)構(gòu)建平面芯片的，這種方法最終將走到終點(diǎn)。“如果你繼續(xù)二維縮放，我們的晶體管最終只包含幾百個(gè)原子，最后將被原子這種基本粒子攔住前行的道路?！彼忉尩?。

但是，平面制造工藝的終點(diǎn)并不意味著密度提升的終結(jié)。他指出，即使在 Dennard 縮放定律死亡后，半導(dǎo)體制造領(lǐng)域依然有很多創(chuàng)新，使晶體管密度保持著上升走勢(shì)。特別是，在采用了應(yīng)變硅和高 K 金屬柵極技術(shù)之后，以及引入了 3D 結(jié)構(gòu)的 FinFET 之后。現(xiàn)在，業(yè)界正在探索一種被稱為 DTCO（設(shè)計(jì)和工藝協(xié)同優(yōu)化）技術(shù)，來(lái)推動(dòng) 7 納米以下晶體管的發(fā)展。

推動(dòng)所有這些創(chuàng)新的原動(dòng)力都來(lái)自于需要為那些需要更快、更節(jié)能的硬件的應(yīng)用開(kāi)發(fā)出新的計(jì)算平臺(tái)。計(jì)算平臺(tái)的演變已經(jīng)走過(guò)了將近半個(gè)世紀(jì)的歷史，從上個(gè)世紀(jì) 70 年代的小型計(jì)算機(jī)，到 80 年代的個(gè)人電腦，到 90 年代的互聯(lián)網(wǎng)，再到現(xiàn)在的移動(dòng)計(jì)算。每一個(gè)計(jì)算平臺(tái)都對(duì)晶體管密度提出了更高的要求，這些要求都需要半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)的進(jìn)步來(lái)實(shí)現(xiàn)。Wong 認(rèn)為，下一個(gè)重大動(dòng)力來(lái)自于人工智能和 5G。

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那么，為了保持摩爾定律的延續(xù)，需要進(jìn)行哪些方面的創(chuàng)新呢？

短期內(nèi)，在 2.5 結(jié)構(gòu)上使用小芯片構(gòu)建多芯片封裝將提高整體計(jì)算和存儲(chǔ)密度，盡管芯片本身并沒(méi)有變得更密集。Wong 表示，和單個(gè)小芯片的工藝節(jié)點(diǎn)技術(shù)相比，更重要的是將這些小芯片集成在同一個(gè)封裝中的技術(shù)。

現(xiàn)在，臺(tái)積電有自己的 2.5D 封裝技術(shù) - 晶圓級(jí)封裝技術(shù)（CoWoS），英特爾的競(jìng)爭(zhēng)性封裝技術(shù)是嵌入式多芯片互聯(lián)橋（EMIB）。CoWoS 技術(shù)在硅片中介層上放置小芯片和合適的存儲(chǔ)器件，并使用硅通孔（TSV）連接它們，從而構(gòu)建起多芯片封裝。其中，最值得一提的是英偉達(dá)的 Tesla V100 GPU 加速器，它采用 CoWoS 技術(shù)將 GV100 GPU 與高帶寬內(nèi)存（HBM）模塊封裝在了一起。此外，英特爾、AMD 和賽靈思即將推出的器件將實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的集成，更多數(shù)量的小芯片。

但是，2.5D 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的密度提升已經(jīng)沒(méi)有多少空間了。更好的密度提升方案需要真正的 3D 封裝技術(shù)。Wong 說(shuō)，現(xiàn)在最好的技術(shù)選項(xiàng)是 N3XT，這是一種基于新型納米材料的 3D 單片設(shè)計(jì)，可以在較細(xì)的粒度上將內(nèi)存和邏輯器件集成在一起。N3XT 是納米工程計(jì)算系統(tǒng)技術(shù)的代表，學(xué)術(shù)界早在 2015 年就開(kāi)始了對(duì)它的研究，但是現(xiàn)在，有了臺(tái)積電這樣的巨頭的介入，它無(wú)疑將具有很大的商業(yè)化機(jī)會(huì)。

Wong 放了一張幻燈片，顯示了一個(gè) N3XT 芯片的樣子。它由多層高能效邏輯器件（黃色）、高速內(nèi)存（紅色）和大容量非易失性存儲(chǔ)器（綠色）組成，各類器件以交錯(cuò)的方式堆疊在一起。所有這些都位于傳統(tǒng)的硅邏輯硅片（紫色）之上。

這個(gè)技術(shù)的關(guān)鍵是將所有這些不同的組件與一種被稱為 ILV 的東西連接起來(lái)，ILV 是層間通孔（Inter-Layer-Via）的縮寫。它和微米級(jí)的 TSV 不同，ILV 可以在納米級(jí)的尺寸上形成。這是 N3XT 技術(shù)中非常重要的一部分，但是 Wong 沒(méi)有給出太多說(shuō)明。顯然，ILV 是臺(tái)積電一直在研究的技術(shù)，并且申請(qǐng)了很多專利。

在這些 3D 封裝中，交錯(cuò)式的存儲(chǔ)器和邏輯組件很重要，因?yàn)榻诲e(cuò)方式減少了這些組件之間的距離，這就有可能實(shí)現(xiàn) 5G 和人工智能等應(yīng)用需要的高帶寬、低延遲通信。對(duì)于 CMOS 工藝來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)器和邏輯組件不可能交錯(cuò)放置，因?yàn)檫壿嫿M件需要大約 1000 攝氏度才能進(jìn)行蝕刻，這將破壞掉相鄰的組件。為了交錯(cuò)，你需要一種可以在 400 攝氏度下操作的材料。

正巧的是，過(guò)去幾年中研究的一些新材料似乎比較適合在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行高性能晶體管額制造。和目前廣泛用于半導(dǎo)體器件的塊狀硅基材料不同，這些新材料是一些過(guò)渡金屬二硫化物（TMD），基于鉬、鎢和硒等元素。

TMD 材料還有很高的載流子遷移率，即電子能夠輕松地通過(guò)它們流動(dòng)，但是流動(dòng)管道比較薄。如果您正在構(gòu)建 2 納米或 3 納米以下的晶體管，TMD 材料的這些屬性正是您想要的。Wong 表示，臺(tái)積電已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用二硫化鎢制造了實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的 TMD 晶圓。

另外一種新型納米材料是碳納米管。Wong 表示，臺(tái)積電已經(jīng)制造出了具有良好半導(dǎo)體性能的實(shí)驗(yàn)版晶圓。實(shí)際上，業(yè)界已經(jīng)推出了基于碳納米管的邏輯器件和 SRAM 器件原型，包括麻省理工學(xué)院研究人員最近實(shí)現(xiàn)的 RISC-V 器件。

在存儲(chǔ)器方面，Wong 表示最有可能進(jìn)行 3D 集成的是自旋扭矩 MRAM（SST-MRAM）、相變存儲(chǔ)器（PCM）、電阻 RAM（ReRAM）、導(dǎo)電橋 RAM（CBRAM）和鐵電 RAM（FeRAM）。這些新型存儲(chǔ)器都具有 RAM 的關(guān)鍵屬性，還能實(shí)現(xiàn)非易失性，而且在寫入之前不需要擦除。其中一些已經(jīng)商業(yè)化，包括 Everspin 的 MRAM、三星的嵌入式 MRAM、Crossbar 的 ReRAM 和英特爾的 3D XPoint（大多數(shù)人認(rèn)為它是 PCM 的一種變體）。

研究人員已經(jīng)仿真了 N3XT 器件的性能，并使用各種機(jī)器學(xué)習(xí)推理基準(zhǔn)測(cè)試，把它們和在邏輯和存儲(chǔ)容量配置方面相似的傳統(tǒng)平面型芯片進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，和 2D 競(jìng)爭(zhēng)者相比，N3XT 器件的效率提升幅度在 63 倍到 1971 倍之間。

所有這些聽(tīng)起來(lái)都很鼓舞人心，但是 Wong 沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明這些技術(shù)如何在未來(lái)三十年內(nèi)維持摩爾定律的提升速度。比如，對(duì)于晶體管密度，切換到新的納米材料上肯定會(huì)比 2D 器件有一次大幅度的提升，但是最終您也會(huì)遇到原子極限。

從理論上來(lái)說(shuō)，如果每隔 18 個(gè)月將 3D 器件的堆疊高度翻倍，類比地產(chǎn)商蓋房子的角度，至少也可以實(shí)現(xiàn)密度的提升。但是，對(duì)于移動(dòng)設(shè)備和其它嵌入式設(shè)備而言，這樣形成的器件將變得非常笨重，即使對(duì)于對(duì)尺寸沒(méi)有太大要求的數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)，這樣迭代七代或者八代后，也能達(dá)到 12 英尺的高度。

為了讓摩爾定律繼續(xù)工作幾十年，必須同時(shí)開(kāi)發(fā)其它創(chuàng)新性的技術(shù)，Wong 并沒(méi)有在其演講中提到要進(jìn)行哪些創(chuàng)新，以使得密度提升速度符合摩爾定律。但是，對(duì)于臺(tái)積電這樣的芯片制造商，它們的研究人員肯定會(huì)源源不斷地進(jìn)行創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)各種備選技術(shù)。在新的、更苛刻的應(yīng)用的推動(dòng)下，這些技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程便會(huì)加快?；赝麣v史，展望未來(lái)，這些新應(yīng)用肯定會(huì)出現(xiàn)在不久的地平線。
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