如果您認(rèn)為英特爾是推動并維持摩爾定律的最大貢獻(xiàn)者，那您可能還沒有聽說過Philip Wong對這個(gè)問題的觀點(diǎn)。Wong是臺積電的研發(fā)副總裁，最近在Hot Chips會議上做了一個(gè)演講。他說，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，在未來三十年它將繼續(xù)適用。
“摩爾定律并沒有死，”他告訴Hot Chips的參會者?！八鼪]有慢慢走向死亡，而且現(xiàn)在還很管用?！?/p>
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)來看，可能需要通過傳統(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度的晶體管。
臺積電目前正在蝕刻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，臺積電已經(jīng)開始了風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)。也就是說，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)電話會議上，臺積電表示，計(jì)劃將在2020年上半年開始量產(chǎn)5納米芯片。而且，根據(jù)臺積電的產(chǎn)品線技術(shù)路線，接下來還會有3納米節(jié)點(diǎn)。
但是，所有這些技術(shù)都是用來構(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。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?，F(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)，來推動7納米以下晶體管的發(fā)展。
推動所有這些創(chuàng)新的原動力都來自于需要為那些需要更快、更節(jié)能的硬件的應(yīng)用開發(fā)出新的計(jì)算平臺。計(jì)算平臺的演變已經(jīng)走過了將近半個(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)在的移動計(jì)算。每一個(gè)計(jì)算平臺都對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)步來實(shí)現(xiàn)。Wong認(rèn)為，下一個(gè)重大動力來自于人工智能和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)算和存儲密度，盡管芯片本身并沒有變得更密集。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，臺積電有自己的2.5D封裝技術(shù)-晶圓級封裝技術(shù)（CoWoS），英特爾的競爭性封裝技術(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，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年就開始了對它的研究，但是現(xiàn)在，有了臺積電這樣的巨頭的介入，它無疑將具有很大的商業(yè)化機(jī)會。
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器（綠色）組成，各類器件以交錯(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，ILV是層間通孔（Inter-Layer-Via）的縮寫。它和微米級的TSV不同，ILV可以在納米級的尺寸上形成。這是N3XT技術(shù)中非常重要的一部分，但是Wong沒有給出太多說明。顯然，ILV是臺積電一直在研究的技術(shù)，并且申請了很多專利。
在這些3D封裝中，交錯(cuò)式的存儲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。對于CMOS工藝來說，存儲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，過去幾年中研究的一些新材料似乎比較適合在相對較低的溫度下進(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它們流動，但是流動管道比較薄。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）、相變存儲器（PCM）、電阻RAM（ReRAM）、導(dǎo)電橋RAM（CBRAM）和鐵電RAM（FeRAM）。這些新型存儲器都具有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)測試，把它們和在邏輯和存儲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競爭者相比，N3XT器件的效率提升幅度在63倍到1971倍之間。
所有這些聽起來都很鼓舞人心，但是Wong沒有詳細(xì)說明這些技術(shù)如何在未來三十年內(nèi)維持摩爾定律的提升速度。比如，對于晶體管密度，切換到新的納米材料上肯定會比2D器件有一次大幅度的提升，但是最終您也會遇到原子極限。
從理論上來說，如果每隔18個(gè)月將3D器件的堆疊高度翻倍，類比地產(chǎn)商蓋房子的角度，至少也可以實(shí)現(xiàn)密度的提升。但是，對于移動設(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，即使對于對尺寸沒有太大要求的數(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)開發(fā)其它創(chuàng)新性的技術(shù)，Wong并沒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，對于臺積電這樣的芯片制造商，它們的研究人員肯定會源源不斷地進(jìn)行創(chuàng)新，開發(fā)各種備選技術(shù)。在新的、更苛刻的應(yīng)用的推動下，這些技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程便會加快。回望歷史，展望未來，這些新應(yīng)用肯定會出現(xiàn)在不久的地平線。