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,。“它沒(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),?！叭绻憷^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,。”他解釋道,。
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。
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(lèi)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(xiě),。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(zhuān)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(xiě)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(lèi)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,。回望歷史,，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。