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“擴(kuò)展摩爾”

隨著“延續(xù)摩爾”遇到的障礙越來(lái)越大，人們開(kāi)始尋找其他解決路徑。2005年，ITRS提出了“擴(kuò)展摩爾”的概念。這條路徑追求的不是縮小單個(gè)晶體管的尺寸，而是增加系統(tǒng)功能的多樣性，在一個(gè)芯片上集成和實(shí)現(xiàn)豐富的功能。

這條路徑關(guān)注的不是CPU和存儲(chǔ)器這些需要最先進(jìn)工藝的數(shù)字芯片，而是模擬、功率、傳感以及數(shù)模混合芯片，它們不需要最小的晶體管，但能實(shí)現(xiàn)豐富的應(yīng)用場(chǎng)景。

“擴(kuò)展摩爾”根據(jù)頂層的應(yīng)用與需求來(lái)拉動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，其中一個(gè)最大的需求就是物聯(lián)網(wǎng)。過(guò)去幾十年中，個(gè)人電腦和手機(jī)先后普及，但數(shù)量已經(jīng)趨近飽和，將來(lái)的數(shù)量至多再提高3倍。而未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括智能家居、健康監(jiān)測(cè)、自動(dòng)駕駛汽車、環(huán)境監(jiān)測(cè)等，還會(huì)增加3個(gè)數(shù)量級(jí)，構(gòu)成一個(gè)無(wú)處不在的物聯(lián)網(wǎng)世界。例如，自動(dòng)駕駛汽車?yán)镄枰す鉁y(cè)距雷達(dá)、超聲波傳感器、加速度計(jì)等多種傳感器；醫(yī)療領(lǐng)域需要可穿戴式的生理信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備，以及為了抑制癲癇發(fā)作的植入式傳感器和電流刺激芯片等；環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域需要能探測(cè)各種二氧化碳、硫化物等污染物的傳感器芯片。這些傳感器需要跟CPU、存儲(chǔ)器等集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)豐富的功能。

此外，我們也需要高效的電源，想要實(shí)現(xiàn)極低的功耗，滿足便攜或移動(dòng)設(shè)備的要求。我們同樣需要用高信噪比的傳感器和模擬電路來(lái)感知或采集微弱的生理信號(hào)、危險(xiǎn)氣體的濃度等。我們也需要滿足各種頻段的無(wú)線射頻電路，實(shí)現(xiàn)更多樣的無(wú)線連接。

另外一個(gè)有“擴(kuò)展摩爾”需求的是能源領(lǐng)域。與硅相比，氮化鎵和碳化硅等半導(dǎo)體材料的性能更優(yōu)異，用它們制成的功率器件可以在相同的耐受電壓下提供更高的開(kāi)關(guān)頻率，或者在相同的耐受電壓和開(kāi)關(guān)頻率下有更低的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗。

此外，人們也將對(duì)能量收集技術(shù)產(chǎn)生極大的需求，因?yàn)樵S多傳感器安置在露天環(huán)境中，沒(méi)有市電供電，也不方便更換電池。而能量收集的途徑可以是機(jī)械振動(dòng)、冷熱溫差或者無(wú)線電波、光線等，這將大大地延長(zhǎng)芯片的工作時(shí)長(zhǎng)。

最后，柔性電子將在基于織物的可穿戴設(shè)備、折疊屏幕、薄膜太陽(yáng)能電池等方面發(fā)揮作用。未來(lái)相當(dāng)一部分柔性電子設(shè)備將通過(guò)打印在柔性基材上的方式制造出來(lái)，但這需要業(yè)界在有機(jī)材料和碳基材料上取得進(jìn)一步突破。

從2017年開(kāi)始，一種叫作小芯片（Chiplet）的技術(shù)引起了業(yè)界，尤其是超威半導(dǎo)體公司的興趣。以往，人們盡量將不同的電路模塊集成到一顆芯片上，以降低成本。但是人們發(fā)現(xiàn)，加工的芯片面積越大，芯片良率（晶圓片上性能良好的裸芯片的比率）越低，進(jìn)而推高了成本。反之，將大芯片拆成小芯片則能提高良率，降低成本。

于是，一種相反的趨勢(shì)出現(xiàn)了：將大芯片拆解成尺寸較小的單個(gè)芯片，分別制造，然后再通過(guò)封裝技術(shù)合成在一起（見(jiàn)圖14-5）。這有點(diǎn)像先制造小塊的樂(lè)高積木，然后將其拼成一個(gè)更大的整體。例如，將一顆面積為360平方毫米的芯片拆成4顆小芯片分別制成，它的良率將提高兩倍多。在這一趨勢(shì)下，未來(lái)CPU中的內(nèi)核會(huì)越來(lái)越多。超威半導(dǎo)體公司的一款“霄龍”處理器（簡(jiǎn)稱EPYC）中有8個(gè)小芯片，每個(gè)小芯片中又有8個(gè)內(nèi)核，總共有多達(dá)64個(gè)內(nèi)核。

小芯片技術(shù)為芯片系統(tǒng)增加了一個(gè)自由度，即每個(gè)小芯片的制造都可以自由地采用最佳性價(jià)比的工藝，CPU和內(nèi)存采用先進(jìn)工藝以提高算力，而模擬和射頻等則采用較為低價(jià)的成熟工藝，以降低整體成本。

圖14-5 將單一芯片（a）拆分為小芯片（b）分別制成，并通過(guò)下方基板互連起來(lái)

1958年到1959年基爾比和諾伊斯發(fā)明集成電路時(shí)，他們分別解決了集成和互連的問(wèn)題。現(xiàn)在60多年過(guò)去了，我們?nèi)匀蛔咴谧非笕绾胃玫丶珊突ミB的路上。集成的方式從平面走向了三維，從單芯片走向了多芯片，從單一電路互連走向了數(shù)字、模擬、射頻、傳感器等多種電路的集成，從硅集成走向了硅、碳、鍺等元素的共同集成，從平面互連走向了立體互連。

“超越摩爾”

大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和超級(jí)計(jì)算等新技術(shù)的計(jì)算需求對(duì)芯片性能和能效提出了更高的要求，于是就有了第三條路：“超越摩爾”，又叫“超越CMOS”，即在主流的CMOS技術(shù)之外尋找更好的可能。

硅晶體管中的漏電流一直是科學(xué)家的心頭大患。為此，人們發(fā)明了TFET（其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖14-6）。它利用導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的量子隧穿效應(yīng)，控制晶體管的開(kāi)與關(guān)，使漏電流更小、導(dǎo)通電流更大，突破了傳統(tǒng)晶體管中的麥克斯韋-玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)限制，使得亞閾值擺幅低于60 mV/dec的下限。不過(guò)，TFET的源極與漏極不再像MOS場(chǎng)效晶體管那樣同為P型半導(dǎo)體或同為N型半導(dǎo)體，而是一邊為P型半導(dǎo)體，另一邊為N型半導(dǎo)體，這對(duì)器件制造和應(yīng)用提出了新的挑戰(zhàn)。

圖14-6 TFET的結(jié)構(gòu)

硅材料雖然適合大規(guī)模生產(chǎn)，儲(chǔ)藏豐富，還有一個(gè)天然穩(wěn)定的絕緣氧化層，但它也有難以克服的缺點(diǎn)：電子遷移率低，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)速度不高；散熱特性一般，限制了芯片的工作頻率。這些問(wèn)題都讓“延續(xù)摩爾”之路變得困難重重。

而碳材料則在遷移率、小尺寸和散熱特性方面具有優(yōu)勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)室中，研究者已經(jīng)用碳納米管制成了CNTFET（見(jiàn)圖14-7），結(jié)構(gòu)類似于硅MOS場(chǎng)效晶體管，只是將中間的導(dǎo)電溝道換成遷移率更好、散熱性更好、尺寸更小的碳納米管。目前，人們?nèi)栽诮鉀Q大規(guī)模制備方面的挑戰(zhàn)。

圖14-7 CNTFET注：俯視圖（a）和側(cè)視圖（b）

無(wú)論是BJT，還是MOS場(chǎng)效晶體管等器件，都是用電子作為信息處理的媒介，創(chuàng)新的思路則是采用速度更快的光子。光子沒(méi)有散熱問(wèn)題，不受電子噪聲影響，而且光信號(hào)延遲小、通信帶寬遠(yuǎn)高于電信號(hào)。此外，用硅材料就能做出各種光處理器件（光波導(dǎo)、光濾波器和光連接器等），它們很容易就能集成到CMOS芯片中，從而大大地降低成本。制造光互連處理器已經(jīng)開(kāi)始變得可能。不過(guò)，硅光電子仍需要突破一些技術(shù)瓶頸才能進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。

1970年，加州大學(xué)伯克利分校的蔡少棠（Leon Chua）教授發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)已有三種基本元件：電阻器，負(fù)責(zé)關(guān)聯(lián)電壓和電流；電容器，負(fù)責(zé)關(guān)聯(lián)電壓和電荷；電感器，負(fù)責(zé)關(guān)聯(lián)電流和磁通量。但電荷與磁通量是否可以有直接關(guān)聯(lián)呢？蔡少棠提出，或許存在第四種基本元件能將電荷和磁通量直接關(guān)聯(lián)，他將其命名為憶阻器（memristor）（見(jiàn)圖14-8）。2008年，惠普實(shí)驗(yàn)室威廉姆斯領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)做出了單器件結(jié)構(gòu)的憶阻器，僅僅由兩端的金屬和中間的氧化物構(gòu)成。

憶阻器具有電阻記憶效應(yīng)，掉電后能維持電阻數(shù)值，在脈沖信號(hào)的激勵(lì)下能改變電阻值，就像大腦的突觸在神經(jīng)元脈沖的刺激下改變連接強(qiáng)度，能作為人工電子突觸模擬大腦中的化學(xué)突觸，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)記憶功能。憶阻器的尺寸可以做到納米級(jí)，但是在制備良率以及器件一致性方面仍有較大的改進(jìn)空間。

除此之外，人們?cè)谧孕龍?chǎng)效晶體管（簡(jiǎn)稱Spin-FET）、PCRAM、RRAM、磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱MRAM）、柔性薄膜晶體管（簡(jiǎn)稱FTFT）等方面也展開(kāi)了研究，但由于傳統(tǒng)器件成本低、產(chǎn)量大，這些新型器件的優(yōu)勢(shì)還無(wú)法體現(xiàn)出來(lái)，不能在短期內(nèi)替代現(xiàn)有器件。

圖14-8 四種基本元件之間的關(guān)系

注：圖中呈現(xiàn)了三種基本元件（電阻器、電容器和電感器）和蔡少棠設(shè)想的第四種基本元件——憶阻器彼此間的關(guān)聯(lián)性。

不過(guò)，“?！敝胁亍皺C(jī)”。晶體管縮小之路的終結(jié)也許是一個(gè)好消息，因?yàn)榇饲皹I(yè)界的絕大部分經(jīng)費(fèi)和人力都投到了硅MOS場(chǎng)效晶體管器件的相關(guān)研究中，以維持其按照摩爾定律預(yù)測(cè)的速度前進(jìn)?，F(xiàn)在，MOS場(chǎng)效晶體管尺寸縮小之路的結(jié)束將為非MOS場(chǎng)效晶體管器件的發(fā)展讓出一條路。

在芯片設(shè)計(jì)的EDA領(lǐng)域，隨著芯片中數(shù)字、模擬、射頻等電路融合在一個(gè)系統(tǒng)中，電磁干擾將更加復(fù)雜，散熱問(wèn)題與性能退化需要更小心地應(yīng)對(duì)，不同電路之間的接口也變得更加復(fù)雜。最近幾年，人工智能開(kāi)始用于解決芯片布線問(wèn)題，以尋找最優(yōu)解。

在應(yīng)用層面，為了滿足不同場(chǎng)景下的計(jì)算需求，人們正在研究高帶寬存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱HBM）、存內(nèi)計(jì)算、近存計(jì)算、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算、近似計(jì)算和集感存算為一體的芯片技術(shù)。

這些設(shè)想將來(lái)都能實(shí)現(xiàn)嗎？我們目前還無(wú)法確知，但它們未來(lái)一定會(huì)以一種我們從未看到過(guò)、聽(tīng)到過(guò)，甚至從未想象過(guò)的方式出現(xiàn)，打破我們?cè)钚挪灰傻恼摂?。也許這里應(yīng)借用計(jì)算機(jī)科學(xué)家艾倫·凱（Alan Kay）說(shuō)過(guò)的一句話來(lái)回答：“預(yù)測(cè)未來(lái)最好的方式就是把它發(fā)明出來(lái)?！?

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