由于數(shù)字應用和數(shù)據(jù)處理的迅速興起，計算能力需求呈爆炸式增長。隨著越來越多地使用人工智能來應對我們這個時代的主要挑戰(zhàn)，例如氣候變化或糧食短缺，從現(xiàn)在開始，計算需求預計每六個月就會翻一番。為了以可持續(xù)的方式處理呈指數(shù)級增長的數(shù)據(jù)量，我們需要改進的高性能半導體技術。為了實現(xiàn)這一目標，我們需要同時應對五個挑戰(zhàn)。雖然世界上沒有一家公司可以單獨完成這一目標，但整個半導體生態(tài)系統(tǒng)的共同創(chuàng)新和協(xié)作將使摩爾定律得以延續(xù)：這是 imec 未來 15 至 20 年雄心勃勃的路線圖的關鍵信息。

一次五面墻

縮放墻：純光刻支持的縮放正在放緩。由于微芯片和晶體管的單個結構正在接近原子的大小，量子效應開始干擾微芯片的運行，這變得越來越困難。

內(nèi)存墻：系統(tǒng)性能面臨內(nèi)核和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)路徑限制。事實上：內(nèi)存帶寬跟不上處理器性能。我們每秒有更多的觸發(fā)器而不是每秒千兆字節(jié)。

功率墻：將功率引入芯片并從芯片封裝中提取熱量變得越來越具有挑戰(zhàn)性，因此我們必須開發(fā)改進的功率傳輸和冷卻概念。

可持續(xù)性墻：半導體設備的制造導致環(huán)境足跡不斷增加，包括溫室氣體和水、自然資源和電力消耗。

成本墻：顯然，芯片制造成本可能會隨著復雜性的增加以及設計和工藝開發(fā)成本的增加而激增。

拆墻

乍一看，戈登摩爾的預言看起來并不那么美好，他首先指出密集集成電路 （IC） 中的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番。如果我們頑固地堅持 Dennard 縮放和傳統(tǒng)的 Von Neumann 計算架構，這種預測尤其正確。

在其擴展路線圖中，imec 為芯片技術的未來提出了一條替代路徑，在架構、材料、晶體管的新基本結構以及……范式轉變方面進行了根本性的改變。到 2036 年，imec 路線圖將使我們從 7 nm 到 0.2 nm 或 2 ?ngstr?m，保持兩到兩年半的介紹速度。

首先，光刻技術的不斷進步將是進一步縮小尺寸的關鍵：傳統(tǒng)的光刻技術使用光，而如今，光的波長大于圖案所需的精度。這就是引入極紫外 （EUV） 光刻的原因。它現(xiàn)在出現(xiàn)在越來越多的用于批量生產(chǎn)的功能性生產(chǎn)帶上。EUV 將把我們從5納米時代帶到2納米時代。為了變得更小，我們需要 EUV 的更新版本，High NA-EUV，以及更大的鏡頭。它們的直徑為 1 米，精度為 20 皮米。對于High NA EUV，ASML 正在開發(fā)的第一個原型將于 2023 年面世。預計在 2025 年或 2026 年的某個時候投入大批量生產(chǎn)。為了降低在制造業(yè)中引入的風險，imec 與阿斯麥正在緊密合作。

同時我們還需要晶體管架構的創(chuàng)新。如今，幾乎所有芯片制造商都使用FinFET晶體管制造微芯片。然而，進入 3nm 代時，F(xiàn)inFET 受到量子干擾，導致微芯片運行中斷。

接下來是環(huán)柵 （GAA）或納米片晶體管，由納米片堆疊而成，它將提供改進的性能和改善的短溝道效應。從 2 nm 開始，這種架構將是必不可少的。三星、英特爾和臺積電等主要芯片制造商已經(jīng)宣布，他們將在其 3 納米和/或 2 納米節(jié)點中引入 GAA 晶體管。forksheet 晶體管是 imec 的發(fā)明，甚至比 nanosheet 晶體管更密集，將 gate-all-around 概念擴展到 1 nm 一代。forksheet 架構在負溝道和正溝道之間引入了屏障，使溝道更加靠近。該架構有望使單元尺寸縮小 20%。

通過將負溝道和正溝道相互疊加，可以實現(xiàn)進一步的縮放，稱為互補 FET （CFET） 晶體管，是 GAA 的復雜垂直繼承者。它顯著提高了密度，但以增加工藝復雜性為代價，尤其是接觸晶體管的源極和漏極。

隨著時間的推移，CFET 晶體管將采用原子厚度的新型超薄二維單層材料，如二硫化鎢 （WS2） 或鉬。該器件路線圖與光刻路線圖相結合，將帶我們進入埃格斯特倫時代。

這些亞 2 納米晶體管的系統(tǒng)級還面臨著另外兩個挑戰(zhàn)。內(nèi)存帶寬跟不上 CPU 性能。處理器的運行速度不能超過從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)和指令的速度。要推倒這堵“內(nèi)存墻”，內(nèi)存必須離芯片更近。拆除內(nèi)存墻的一種有趣方法是 3D 片上系統(tǒng) （3D SOC） 集成，它超越了當今流行的小芯片方法。按照這種異構集成方法，系統(tǒng)被劃分為獨立的芯片，這些芯片在三維中同時設計和互連。例如，它將允許在核心邏輯設備上為 level-1-Cash 堆疊一個 SRAM 內(nèi)存層，從而實現(xiàn)內(nèi)存與邏輯的快速交互。

關于與系統(tǒng)相關的挑戰(zhàn)，為芯片提供足夠的功率并散發(fā)熱量變得更加困難。然而，一個解決方案就在眼前：配電現(xiàn)在從晶圓頂部穿過十多個金屬層到達晶體管。Imec 目前正在研究晶圓背面的解決方案。我們會將電源軌沉入晶圓，并使用更寬、電阻更小的材料中的納米硅通孔將它們連接到背面。這種方法將電力傳輸網(wǎng)絡與信號網(wǎng)絡分離，提高整體電力傳輸性能，減少路由擁塞，并最終允許進一步標準單元高度縮放。

最后，半導體制造是有代價的。它需要大量的能源和水，并產(chǎn)生危險廢物。但整個供應鏈需要致力于解決這個問題，而生態(tài)系統(tǒng)方法將是必不可少的。去年，imec 啟動了可持續(xù)半導體技術和系統(tǒng) （SSTS） 研究計劃，該計劃匯集了半導體價值鏈的利益相關者——從亞馬遜、蘋果和微軟等大型系統(tǒng)公司到供應商，包括 ASM、ASML、KURITA、SCREEN、和東京電子。目標是減少整個行業(yè)的碳足跡。該計劃評估新技術對環(huán)境的影響，確定影響大的問題，并在技術開發(fā)的早期定義更環(huán)保的半導體制造解決方案。

模式轉變

從長遠來看，馮諾依曼架構需要徹底改革。馮·諾依曼教授將數(shù)字計算機視為一個具有輸入、中央處理器和輸出的系統(tǒng)。但我們需要向特定領域和應用程序相關的架構發(fā)展，大規(guī)模并行化可與人腦的工作方式相媲美。這意味著 CPU 將扮演更小的角色，有利于為特定工作負載定制電路。

這種范式轉變，加上前方的障礙，標志著半導體行業(yè)有趣時代的開始。我們需要在整個半導體生態(tài)系統(tǒng)中進行共同創(chuàng)新和協(xié)作：代工廠、IDM、無晶圓廠、fab-lite、設備和材料供應商。不僅僅是為了滿足摩爾定律，而是因為半導體是高性能深度技術應用的核心，可以在應對氣候變化、可持續(xù)交通、空氣污染和食物短缺等我們這個時代的挑戰(zhàn)方面取得有影響力的進展。 賭注很高。

審核編輯 ：李倩