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“为什么是5000天？and本文摘取的

凯文·凯利

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《鲜活的经济学》

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如果把晶体管比作粮食，我们可以参考解决粮食危机的方法，来说明应对芯片挑战的三种思路。

第一，最直接的就是继续提升主要粮食的单位面积产量，这对应于提高芯片中晶体管的密度，这被称为“延续摩尔”（More Moore）。

第二，是扩展其他粮食种类，提高丰富程度，这意味着除了CPU、内存等数字芯片之外，还要大力拓展模拟、射频、电源、显示、柔性芯片等的用途，以及通过3D芯片将各种功能集成在一起，这叫作“扩展摩尔”（Morethan Moore）。

第三，也是最长远的，是开发全新的粮食品种，这对应于探索MOS场效晶体管以外的新型晶体管，例如碳纳米管场效晶体管（简称CNTFET或CNFET）、阻变式存储器（简称RRAM）、相变随机存取存储器（简称PCRAM）、隧穿场效晶体管（简称TFET）等，这条路径叫作“超越摩尔”（Beyond Moore）。

01

“延续摩尔”

半导体业界继续缩小晶体管尺寸，提高芯片里晶体管的密度，是“延续摩尔”路径的主要目标。

当工艺节点从5纳米进到3纳米和2纳米时，FinFET遇到了一个老问题，晶体管无法有效关断，漏电流飙升导致发热严重。尽管FinFET已经变成了立体结构，可通过凸起的三个侧面去关断导电沟道，但仍无法完全关断。

2003年，研究人员提出了更大胆的“纳米线”（Nano-wire）结构。在这种结构中，晶体管的导电沟道变成纳米粗细的一根“线”，完全被一个环形的“栅”给全方位地环绕，就好像一只“手”握着橡皮水管。在“手”上施加电压，能更好地关闭晶体管，减小漏电流。

虽然这种结构解决了晶体管关断的问题，但也对晶体管开启后通过的电流大小造成了影响：细细的纳米线对电流的阻碍作用极大。

为此，2006年法国原子能委员会电子与信息技术实验室（CEA-Leti）的研究人员提出纳米片（Nano-sheet）结构。这类晶体管又叫GAAFET（见图14-3）。在这种结构中，连接晶体管开关两侧的不再是细细的“线”，而是薄而宽的“片”，这样全包围的结构更利于关断晶体管，而多个薄而宽的片又提升了导电能力。2017年，IBM公司展示了这种堆叠的纳米片晶体管。2021年5月，IBM公司采用纳米片成功突破2纳米技术节点，在一个指甲盖大小的芯片上集成了500亿个晶体管。

 图14-3　晶体管结构的演变

在随后的1纳米和0.7纳米技术节点，单个晶体管的尺寸将再一次面对挑战。预测那时业界将把水平放置的围栅晶体管竖立起来，以进一步减小“占地面积”。再进一步，业界还可能将围栅晶体管堆叠起来，做成3D结构。芯片将通过堆叠的方式继续向上“生长”，就像一层层的空中花园，以便继续提高单位面积可以容纳的晶体管的数量。

尽管有了好的晶体管结构设计，但能否将其制造出来则又是另外一回事。

制造晶体管的最大瓶颈仍然是光刻机。光源为193纳米的浸没式光刻机可以加工的最小栅间距约为34纳米。要知道，193纳米的紫外光（经过水折射后变成134纳米）本身无法用来加工这么小的尺寸，它需要经过多次曝光，分次加工线条的不同边缘，才能达到所需的精度。

然而，加工尺寸越小，紫外光进行多重曝光所需的掩膜版数量也就越多，到了7纳米技术节点就需要几十层掩膜版。掩膜版越多，加工步骤越多，所花费的成本和时间也就越多。如果到5纳米技术节点时再不采用下一代EUV光刻机，光刻所需的步骤将达到100多步。但波长13.5纳米的EUV光太难产生了。

图14-4　EUV光刻机原理示意图

2020年，经过17年的研发，EUV光刻机终于开始用于5纳米节点的工艺制造。它在未来面临着新的挑战。1纳米及以下的技术节点需要更高的分辨率。这时，就需要高“数值孔径”的EUV光刻机，而后者所需的光源功率还要再翻一倍，达到500瓦才行。

然而，EUV光刻机很快也将达到极限。IRDS预计，2028年半节距将达到极限的8纳米。那将会是“悬崖边缘”，再往前就是量子力学的不确定性统治的世界了。当光刻精度达到极限后，晶体管尺寸将无法继续缩减。

唯一有可能继续增加晶体管密度的方法，就是将多层芯片在垂直方向上堆叠，这就像是将一层平房变成高层楼房，以提高晶体管密度。目前，存储器已经实现了数百层的堆叠。

除了以上困难，CPU性能提升也变得越来越缓慢。而且，CPU和存储器之间的“内存墙”也越来越难以逾越。冯·诺伊曼计算机要先从内存中调取数据，再送入CPU中计算。但是，CPU处理能力显著提高后，计算机从内存调取数据的速度并没有等比例提高，于是CPU和内存之间就形成了通道瓶颈。

彻底解决“内存墙”问题的方法是改变CPU从内存中调取数据的方式，不再以计算单元为中心，而改为以存储为中心，发展计算、存储一体的“存内计算”。这种全新的计算机架构有可能改变“80岁高龄”的冯·诺伊曼计算机架构的统治地位。

02‍

“扩展摩尔”

随着“延续摩尔”遇到的障碍越来越大，人们开始寻找其他解决路径。2005年，ITRS提出了“扩展摩尔”的概念。这条路径追求的不是缩小单个晶体管的尺寸，而是增加系统功能的多样性，在一个芯片上集成和实现丰富的功能。

这条路径关注的不是CPU和存储器这些需要最先进工艺的数字芯片，而是模拟、功率、传感以及数模混合芯片，它们不需要最小的晶体管，但能实现丰富的应用场景。

“扩展摩尔”根据顶层的应用与需求来拉动技术的发展，其中一个最大的需求就是物联网。过去几十年中，个人电脑和手机先后普及，但数量已经趋近饱和，将来的数量至多再提高3倍。而未来的物联网设备，包括智能家居、健康监测、自动驾驶汽车、环境监测等，还会增加3个数量级，构成一个无处不在的物联网世界。

例如，自动驾驶汽车里需要激光测距雷达、超声波传感器、加速度计等多种传感器；医疗领域需要可穿戴式的生理信号监测设备，以及为了抑制癫痫发作的植入式传感器和电流刺激芯片等；环境监测领域需要能探测各种二氧化碳、硫化物等污染物的传感器芯片。这些传感器需要跟CPU、存储器等集成在一起，从而实现丰富的功能。

此外，我们也需要高效的电源，想要实现极低的功耗，满足便携或移动设备的要求。我们同样需要用高信噪比的传感器和模拟电路来感知或采集微弱的生理信号、危险气体的浓度等。我们也需要满足各种频段的无线射频电路，实现更多样的无线连接。

另外一个有“扩展摩尔”需求的是能源领域。与硅相比，氮化镓和碳化硅等半导体材料的性能更优异，用它们制成的功率器件可以在相同的耐受电压下提供更高的开关频率，或者在相同的耐受电压和开关频率下有更低的导通和开关损耗。

此外，人们也将对能量收集技术产生极大的需求，因为许多传感器安置在露天环境中，没有市电供电，也不方便更换电池。而能量收集的途径可以是机械振动、冷热温差或者无线电波、光线等，这将大大地延长芯片的工作时长。

最后，柔性电子将在基于织物的可穿戴设备、折叠屏幕、薄膜太阳能电池等方面发挥作用。未来相当一部分柔性电子设备将通过打印在柔性基材上的方式制造出来，但这需要业界在有机材料和碳基材料上取得进一步突破。

从2017年开始，一种叫作小芯片（Chiplet）的技术引起了业界，尤其是超威半导体公司的兴趣。以往，人们尽量将不同的电路模块集成到一颗芯片上，以降低成本。但是人们发现，加工的芯片面积越大，芯片良率（晶圆片上性能良好的裸芯片的比率）越低，进而推高了成本。反之，将大芯片拆成小芯片则能提高良率，降低成本。

于是，一种相反的趋势出现了：将大芯片拆解成尺寸较小的单个芯片，分别制造，然后再通过封装技术合成在一起（见图14-5）。这有点像先制造小块的乐高积木，然后将其拼成一个更大的整体。例如，将一颗面积为360平方毫米的芯片拆成4颗小芯片分别制成，它的良率将提高两倍多。在这一趋势下，未来CPU中的内核会越来越多。超威半导体公司的一款“霄龙”处理器（简称EPYC）中有8个小芯片，每个小芯片中又有8个内核，总共有多达64个内核。

图14-5　将单一芯片（a）拆分为小芯片（b）分别制成，并通过下方基板互连起来

小芯片技术为芯片系统增加了一个自由度，即每个小芯片的制造都可以自由地采用最佳性价比的工艺，CPU和内存采用先进工艺以提高算力，而模拟和射频等则采用较为低价的成熟工艺，以降低整体成本。

1958年到1959年基尔比和诺伊斯发明集成电路时，他们分别解决了集成和互连的问题。现在60多年过去了，我们仍然走在追求如何更好地集成和互连的路上。集成的方式从平面走向了三维，从单芯片走向了多芯片，从单一电路互连走向了数字、模拟、射频、传感器等多种电路的集成，从硅集成走向了硅、碳、锗等元素的共同集成，从平面互连走向了立体互连。

03‍

“超越摩尔”

大数据、物联网、人工智能和超级计算等新技术的计算需求对芯片性能和能效提出了更高的要求，于是就有了第三条路：“超越摩尔”，又叫“超越CMOS”，即在主流的CMOS技术之外寻找更好的可能。

硅晶体管中的漏电流一直是科学家的心头大患。为此，人们发明了TFET（其结构见图14-6）。它利用导带与价带之间的量子隧穿效应，控制晶体管的开与关，使漏电流更小、导通电流更大，突破了传统晶体管中的麦克斯韦-玻尔兹曼统计限制，使得亚阈值摆幅低于60mV/dec的下限。不过，TFET的源极与漏极不再像MOS场效晶体管那样同为P型半导体或同为N型半导体，而是一边为P型半导体，另一边为N型半导体，这对器件制造和应用提出了新的挑战。

图14-6  TFET的结构

硅材料虽然适合大规模生产，储藏丰富，还有一个天然稳定的绝缘氧化层，但它也有难以克服的缺点：电子迁移率低，导致开关速度不高；散热特性一般，限制了芯片的工作频率。这些问题都让“延续摩尔”之路变得困难重重。

而碳材料则在迁移率、小尺寸和散热特性方面具有优势。在实验室中，研究者已经用碳纳米管制成了CNTFET（见图14-7），结构类似于硅MOS场效晶体管，只是将中间的导电沟道换成迁移率更好、散热性更好、尺寸更小的碳纳米管。目前，人们仍在解决大规模制备方面的挑战。

 图14-7　CNTFET

注：俯视图（a）和侧视图（b）。

无论是BJT，还是MOS场效晶体管等器件，都是用电子作为信息处理的媒介，创新的思路则是采用速度更快的光子。光子没有散热问题，不受电子噪声影响，而且光信号延迟小、通信带宽远高于电信号。此外，用硅材料就能做出各种光处理器件（光波导、光滤波器和光连接器等），它们很容易就能集成到CMOS芯片中，从而大大地降低成本。制造光互连处理器已经开始变得可能。不过，硅光电子仍需要突破一些技术瓶颈才能进入实际应用。

不过，“危”中藏“机”。此前业界的绝大部分经费和人力都投到了硅MOS场效晶体管器件的相关研究中，以维持其按照摩尔定律预测的速度前进。现在，MOS场效晶体管尺寸缩小之路的结束将为非MOS场效晶体管器件的发展让出一条路。

在芯片设计的EDA领域，随着芯片中数字、模拟、射频等电路融合在一个系统中，电磁干扰将更加复杂，散热问题与性能退化需要更小心地应对，不同电路之间的接口也变得更加复杂。最近几年，人工智能开始用于解决芯片布线问题，以寻找最优解。

在应用层面，为了满足不同场景下的计算需求，人们正在研究高带宽存储器（简称HBM）、存内计算、近存计算、神经形态计算、近似计算和集感存算为一体的芯片技术。

这些设想将来都能实现吗？我们目前还无法确知，但它们未来一定会以一种我们从未看到过、听到过，甚至从未想象过的方式出现，打破我们曾深信不疑的论断。也许这里应借用计算机科学家艾伦·凯（Alan Kay）说过的一句话来回答：“预测未来最好的方式就是把它发明出来。”

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内容简介：

一本聚焦热门话题、热门行业的实力之作，完整呈现芯片发明和发展的60多年历程。

全书完整呈现了芯片发明与发展的历程，从支撑芯片产业发展的量子力学讲起，逐渐发展到半导体物理学，进而催生了半导体器件，这些器件又由简到繁，像一颗发芽的种子，演化出了双ji型晶体管、MOS场效晶体管、光电二ji管等，并由此集成构造出了模拟芯片（通信和传感器芯片等）、数字芯片（CPU、存储器、FPGA等）和光电芯片等。蕞后，本书还展示了芯片设计方法和制造方法由手工到自动的发展过程，并指出了芯片未来面对的挑战和可能的解决路径。可以说，了解芯片，有这一本书就够了。‍

作者：资深芯片研究专家。早年留学法国，获法国里昂国立应用科学学院集成电路硕士学位和利摩日大学高频微电子学博士学位，分别在华为公司、法国里昂纳米国家实验室和北京大学深圳研究生院从事集成电路设计的教学与科研工作，积累了二十余年经验。

《芯片简史》

作者：汪波 著

出品：湛庐文化

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