根據(jù)一份有關(guān)半導(dǎo)體發(fā)展藍圖的白皮書,傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制程微縮預(yù)計將在2024年前告終;好消息是各種新型的元件、芯片堆疊和系統(tǒng)創(chuàng)新仍持續(xù)使運算性能、功耗和成本受益…
根據(jù)致力于規(guī)劃新版半導(dǎo)體發(fā)展藍圖的工程師所提供的白皮書,傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制程微縮預(yù)計將在2024年以前告終。值得慶幸的是,各種新型的元件、芯片堆疊和系統(tǒng)創(chuàng)新,可望持續(xù)使運算性能、功耗和成本受益。
在國際元件與系統(tǒng)技術(shù)藍圖(International Roadmap for Devices and Systems;IRDS)最新發(fā)表的一份白皮書中提到,“由于多間距、金屬間距以及單元高度同時微縮,使得晶粒成本迄今持續(xù)降低。這一趨勢將持續(xù)到2024年?!?/p>
在2024年以后,該白皮書中提到,“已經(jīng)沒有足夠的空間布局觸點,加上接觸多間距(CPP)微縮導(dǎo)致性能退化的結(jié)果,預(yù)計實體通道長度將因靜電程度惡化而在12nm飽和,CPP則在24nm飽和,以保留足夠的電源密度(~11nm),使元件觸點提供可接受的寄生效應(yīng)?!?/p>
IRDS是首度于1965年發(fā)布的“國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖”(ITRS)之延伸版本。去年五月,IEEE接手后將它重新命名為IRDS,并擴展到涵蓋新型系統(tǒng)級技術(shù)。
IEEE預(yù)計將于11月在美國華府舉行的活動上正式發(fā)布IRDS的第一個版本。新的白皮書象征邁向更新版本的過渡階段。
在ITRS時代的許多白皮書都在介紹傳統(tǒng)的研究,例如CMOS微縮、新興元件與良率等。只有幾篇論文能不落俗套地介紹一些新的領(lǐng)域,例如系統(tǒng)互連,以及量子與神經(jīng)系統(tǒng)等新型運算。
半導(dǎo)體芯片將自2021年起面臨實體尺寸限制的挑戰(zhàn)(來源:IRDS)
在所有的白皮書中,所謂的“后摩爾定律”(More Moore)在文章中有最詳盡的介紹。它提供有關(guān)邏輯元件與存儲器元件尺寸與材料及其關(guān)鍵元件(如互連)的大量資訊。
例如,在白皮書中預(yù)測,F(xiàn)inFET可為實現(xiàn)高性能邏輯應(yīng)用持續(xù)微縮到2021年;然而,在2019年以后,將開始轉(zhuǎn)向環(huán)繞式閘極(GAA)電晶體,并可能轉(zhuǎn)向需要垂直納米線元件,屆時將會因為鰭片寬度微縮限制,而不再有閘極長度微縮的空間?!?/p>
該白皮書中并預(yù)測,插入高遷移率材料(如鍺),可望使“驅(qū)動電流提高一個數(shù)量級”。
它還預(yù)測,隨著芯片制造商轉(zhuǎn)移到水平和垂直GAA電晶體,“2019年以后的寄生效應(yīng)將隨設(shè)計規(guī)則緊縮而成為主要的旋鈕,預(yù)計寄生效應(yīng)將在關(guān)鍵路徑性能發(fā)揮更大影響力?!?/p>
芯片堆疊和各種新興元件可望為CMOS以外的元件提高性能以及降低成本?!皹I(yè)界必須追尋3D整合路徑,如堆疊與單片3D (或序列整合),以維持系統(tǒng)的性能與增加功率,同時保有成本優(yōu)勢?!?IEEE研究員兼IRDS主席Paolo A. Gargini表示:“我們的研究團隊正致力于確認挑戰(zhàn)以及提議可能的解決方案,突破摩爾定律所定義的現(xiàn)有限制?!?/p>
隨著芯片微縮,新的材料將需要保持性能和低功耗。(來源:IRDS)
系統(tǒng)創(chuàng)新就在眼前...
這份白皮書的初步版本針對新系統(tǒng)架構(gòu)指出,“針對摩爾定律的限制,許多組織均根據(jù)新的元件實體提出補救措施。代表性的新元件包括神經(jīng)形態(tài)電路、量子位元與自旋電子學(xué)等等。這些新的元件代表大幅擴展以往關(guān)注于CMOS與微處理器的領(lǐng)域…明顯偏離了現(xiàn)有的發(fā)展路徑?!?/p>
為了實現(xiàn)這種新架構(gòu),該發(fā)展藍圖還包括有關(guān)于應(yīng)用基準的新部份,標示出11個值得追蹤的領(lǐng)域,廣泛地涵蓋運算方式等。
針對系互連部份則廣泛探討有線與無線連接的挑戰(zhàn),包括為先進的RF電路“增加鍺和三五族(III-V)材料的使用,并將其整合于硅基的CMOS平臺上。”
數(shù)據(jù)中心“則需要緊密型低成本功率光子元件以及緊密型布線電路的開發(fā)?!?/p>
半導(dǎo)體開發(fā)藍圖預(yù)期未來各種不同的運算方式將遍地開花(來源:IRDS)
最后還探討了確保新興物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將采取“需要耦合軟件與硬件的新方法”。有趣的是,在預(yù)測CMOS微縮的部份,也預(yù)期英特爾(Intel)最近發(fā)布的3D XPoint將會是新一代的儲存類存儲器之一。
“盡管細節(jié)部份仍然不足,但據(jù)推測,基于硫族化物的相變材料閾值切換(OTS)特性構(gòu)成了選擇器元件的核心?!?/p>