最近的一則新聞把一個(gè)原本在學(xué)術(shù)界的詞匯——“后摩爾”拉升到了公眾視野。什么是“后摩爾”？為什么“后摩爾”要提升到國家戰(zhàn)略程度？“后摩爾”技術(shù)包含哪些？本期矽說小編就來談一談我眼中的后摩爾，因?yàn)橐恢鼻分蠹乙黄?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/ISSCC" target="_blank">ISSCC 2021的review，正好有機(jī)會(huì)借著這個(gè)話題來一起討論下。
先插一個(gè)硬廣：第三屆華人芯片設(shè)計(jì)技術(shù)研討會(huì)（ICAC 2021）明天就要在深圳開幕了，屆時(shí)將網(wǎng)羅今年在ISSCC 2021上發(fā)表論文的大部分作者與報(bào)告，不出國門、不倒時(shí)差的ISSCC體驗(yàn)就在5.20，千萬不要錯(cuò)過。
接下來開始正文——
后摩爾定義：尺寸微縮的邊際效應(yīng)遞減
歷史上的摩爾定律，一般分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是從Gordon Moore提出摩爾定律開始，到2000年前后，這個(gè)階段一般稱為 Full Scaling或者恒定電場微縮階段，這個(gè)階段的摩爾定律是溫馨且甜蜜的童話，所有的性能指標(biāo)都微縮，單位面積上的發(fā)熱量保持不變。PPA（Power/Performance/Area），無論哪個(gè)都在有條不紊提升。也正是這個(gè)時(shí)期開始，芯片廠商們意識到，押注摩爾定律穩(wěn)賺不賠，就像投資北上廣深的房價(jià)。
然而好景不長，由于晶體管的閾值電壓在到100nm以后幾乎無法下降，F(xiàn)ull scale的摩爾定律遇到了阻礙。于是一種新的摩爾定律產(chǎn)生——我們一般稱為恒定電壓微縮。雖然尺寸還在變小，速度還在變快，但是恒定電壓微縮下，單位面積下的發(fā)熱量是隨微縮節(jié)點(diǎn)平方率上升。換言之，這樣的摩爾定律一定帶來芯片發(fā)熱的爆炸。如果我們芯片充分利用微縮帶來益處，小小芯片很可能其發(fā)熱密度能趕上核電站甚至是火箭推進(jìn)器。
問題來了，20nm以下的工藝發(fā)展，且不論能否造出來，假設(shè)CMOS器件制造無礙，能否繼續(xù)享受摩爾定律器件微縮帶來的芯片性能的上升紅利？由于發(fā)熱宛如小火爐現(xiàn)象，實(shí)際摩爾定律發(fā)展邊際效應(yīng)已然遞減。而且，更現(xiàn)實(shí)的問題是設(shè)計(jì)成本。20nm以下的工藝采用FinFET/GAA等立體結(jié)構(gòu)，無論數(shù)字還是模擬電路，設(shè)計(jì)難度指數(shù)級上升，設(shè)計(jì)成本更是讓一般的芯片公司望洋興嘆。一顆5nm SoC的設(shè)計(jì)成本是28nm的10倍之多。相比之下，帶來性能躍遷只有2、3倍。從經(jīng)濟(jì)的角度，除了少部分出貨量超過100KK的芯片，大部分芯片的微縮已經(jīng)停滯在了28nm節(jié)點(diǎn)上下。當(dāng)然，這種停滯還可能源于某些國際政治的因素。比如某西方大國不讓我們的某實(shí)力大廠在某島的代工廠上流14nm以下的工藝等。還有就是，2nm以下的芯片能不能造出來，大家也沒啥譜。畢竟已經(jīng)是十幾個(gè)原子的事情了，現(xiàn)在基于量子力學(xué)的半導(dǎo)體物理理論管不管用還兩說呢。
總而言之，所謂“后摩爾”指的就是當(dāng)摩爾定律對于大部分芯片設(shè)計(jì)公司來說已經(jīng)停滯時(shí)，有沒有什么顛覆性技術(shù)可以讓芯片在沒有尺寸微縮的前提下繼續(xù)保持PPA的提升。
簡單而言，可以從器件、架構(gòu)、集成方法的角度來討論后摩爾的關(guān)鍵技術(shù)。
后摩爾器件：CMOS工藝的百尺竿頭
既然CMOS器件在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)如此掙扎，那“后摩爾”時(shí)期，是否可以找一些能和CMOS工藝的兼容的新器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MOS器件呢？這一想法的率先在存儲(chǔ)器中完成落地。
ISSCC 2021中，中科院微電子所在14nm FinFET工藝節(jié)點(diǎn)上，用憶阻器實(shí)現(xiàn)的阻變RAM（ReRAM）代替了傳統(tǒng)的基于Flash 浮柵MOS管。在CMOS兼容的工藝?yán)?，采用新原理器件?shí)現(xiàn)了FinFet工藝的非易失存儲(chǔ)。相比之下，F(xiàn)lash工藝在28nm，甚至40nm就已經(jīng)達(dá)到了工藝微縮的極限。
不僅用于存儲(chǔ)，由于ReRAM的器件具有電阻特性，與電流、電壓可通過歐姆定律、基爾霍夫定律實(shí)現(xiàn)乘和累加的物理關(guān)系，因此可被廣泛用于并行模擬計(jì)算電路中，這種電路也被稱為存算一體。ISSCC 2021中，臺灣清華大學(xué)通過數(shù)?；旌系挠?jì)算電路，首次基于ReRAM的實(shí)現(xiàn)8位的存算一體電路，且能效保持在11TOPS/W。其電路模塊結(jié)構(gòu)如下所示：
后摩爾架構(gòu)：算法與電路的緊耦合契機(jī)
除了器件本身，“后摩爾”的另一潛力的來源是其專用性。傳統(tǒng)的通用電路性能飽和，所以這兩年“領(lǐng)域?qū)Ｓ谩钡脑O(shè)計(jì)如火如荼。ISSCC自然也不能缺席。特別是在人工智能芯片領(lǐng)域。目前AI算法發(fā)展速度是每3.4個(gè)月算力翻倍，而摩爾定律最快也得1.5年單位面積上的尺寸翻倍。若要能稍稍趕上這一發(fā)展速度，就得聯(lián)合算法尋找新的契機(jī)。
在ISSCC的AI芯片Session中，幾乎所有芯片設(shè)計(jì)都緊緊擁抱了算法，基于協(xié)同設(shè)計(jì)催化出更好的性能。例如，IBM提出的基于混合8位浮點(diǎn)的AI訓(xùn)練芯片。通過自定義FP8的數(shù)據(jù)格式，完成訓(xùn)練。精度上，和標(biāo)準(zhǔn)32位浮點(diǎn)的訓(xùn)練精度相差不超過1%，同時(shí)功耗又能保持在3TOPS/W以上，避免GPU百瓦級的耗電與發(fā)熱。
還有清華大學(xué)在ISSCC 2021報(bào)告的兩篇存算一體SoC的論文。
第一篇通過利用傳統(tǒng)Cache一致性機(jī)制中的Set Associative技術(shù)，存算一體系統(tǒng)芯片中的再發(fā)明，完成了對稀疏輸入的高效讀寫與計(jì)算，用更小的硬件代價(jià)完成更大規(guī)模的計(jì)算。
第二篇通過利用In-tensor decomposition train算法將最占據(jù)存儲(chǔ)空間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重最大的三維卷積核 分解為多個(gè)小向量的乘積，通過僅存儲(chǔ)這些小向量的方式，結(jié)合量化和稀疏性優(yōu)化實(shí)現(xiàn)高性能片上存儲(chǔ)空間。
可見，上述方法的性能提升及其背后的新架構(gòu)探索，都不適用于通用計(jì)算，但是通過算法與電路的更緊密結(jié)合，突破目前“摩爾時(shí)期”通用模塊的性能瓶頸的效果顯著。
后摩爾集成：3D視角重新定義芯片與互聯(lián)
摩爾定律的“初心”判斷標(biāo)準(zhǔn)是單位面積上的晶體管數(shù)量的增長速度。在過去的很多年里，摩爾定律關(guān)心的都是二維平面上CMOS器件的尺寸微縮。但在后摩爾時(shí)代，如果二維的增長飽和了，為什么不考慮三維呢？ISSCC 2021上有多篇從3D視角切入的芯片可以提供討論。
首先是來自Sony的智能CIS傳感芯片。由于人工智能應(yīng)用的興起，進(jìn)傳感器側(cè)的AI芯片一直是CIS領(lǐng)域的熱門話題。Sony通過三維封裝與Cu-Cu互聯(lián)，將一個(gè)CMOS圖像傳感器陣列與模擬前端、AI芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)。利用Cu-Cu互聯(lián)高帶寬避免了額外的傳感器與處理器數(shù)據(jù)通信瓶頸。
此外，三維封裝的另一個(gè)火熱話題是Chiplet。雖然ISSCC 2021的論文中未有太多的Chiplet paper，但是在forum上，也披露了不少已發(fā)表的Chiplet高性能處理器的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。
比如AMD 二代EPYC架構(gòu)服務(wù)器處理器芯片中基于Chiplet、無源連接基板和有源硅互聯(lián)芯片的協(xié)同設(shè)計(jì)方法，闡述了其從芯片級到板級到系統(tǒng)級的考慮。
還有Nvidia的Chiplet多AI加速器MCM集成芯片，進(jìn)一步討論了其互聯(lián)與軟件部署算法的系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮。這種場景下，芯片的設(shè)計(jì)視角需要跳脫單芯片的局部優(yōu)化，而走向超大規(guī)模算力集成下的軟硬件協(xié)同優(yōu)化。有可能，我們即將來到一個(gè)3D封裝重新定義單芯片的新格局。
在這一背景下，大廠們也開始積極布局面向Die-to-Die的互聯(lián)電路，Wireline session中Samsung、Cadence都有高性能片間互聯(lián)的新電路設(shè)計(jì)。但目前為止，還是經(jīng)典的Serdes的高能效設(shè)計(jì)，能否有顛覆性技術(shù)出現(xiàn)讓我們拭目以待。
其實(shí)還有很多ISSCC 的好paper難以窮舉，你眼中的后摩爾技術(shù)還有什么呢？
