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摩尔定律已死 半导体行业发展会停滞吗?

2016-02-16来源: 互联网关键字:摩尔定律  半导体
计算设备体积随着半导体工业发展呈指数式缩小计算设备体积随着半导体工业发展呈指数式缩小

  导语:ArsTechnica本周刊文称,过去几年,根据摩尔定律去提高芯片集成度正变得越来越困难。下月发布的国际半导体技术路线图很可能将抛开摩尔定律,走上不同的发展道路。

  以下为文章主要内容:

  在“患病多年”后,摩尔定律于51岁“寿终正寝”。

  《自然》杂志刊文称,将于下月发布的下一份半导体技术路线图将采用完全不同的方法。早在2014年,国际半导体技术路线图组织已经决定,下一份路线图将不再依照摩尔定律。

  1965年,英特尔联合创始人戈登-摩尔(Gordon Moore)观察到,集成电路中的元件集成度每12个月就能翻番。此外,确保每晶体管价格最低的单位芯片晶体管数量每12个月增长一倍。1965年,单位芯片50个晶体管可以带来最低的每晶体管成本。摩尔预计,到1970年,单位芯片可集成1000个元件,而每晶体管成本则将下降90%。

  在对数据进行提炼和简化之后,这一现象就被称作“摩尔定律”:单位芯片晶体管数量每12个月增长一倍。

  摩尔的观察并非基于任何科学或工程原理。这仅仅反映了行业发展趋势。然而,在随后的发展中,半导体行业并没有将摩尔定律当作描述性、预测性的观察,而是视为规定性、确定性的守则。整个行业必须实现摩尔定律预测的目标。

  然而,实现这一目标无法依靠侥幸。芯片开发是一个复杂过程,需要用到来自多家公司的机械、软件和原材料。为了确保所有厂商根据摩尔定律制定同样的时间表,整个行业遵循了共同的技术发展路线图。由英特尔、AMD、台积电、GlobalFoundries和IBM等厂商组成的行业组织半导体协会从1992年开始发布这样的路线图。1998年,半导体行业协会与全球其他地区的类似组织合作,成立了“国际半导体技术路线图”组织。最近的一份路线图于2013年发布。

  摩尔定律提出的预测早在很久之前就已出现过问题。1975年,摩尔本人更新了摩尔定律,将半导体行业的发展周期从12个月增加至24个月。在随后30年中,通过缩小芯片上元件的尺寸,芯片发展一直遵循着摩尔定律。

  摩尔定律的终结

50年来芯片晶体管和工作频率的指数式增长(注:纵坐标为对数坐标)50年来芯片晶体管和工作频率的指数式增长(注:纵坐标为对数坐标)

  然而到00年代,很明显单纯依靠缩小尺寸的做法正走到尾声。不过,通过其他一些技术,芯片的发展仍然符合摩尔定律的预测。在90纳米时代,应变硅技术问世。在45纳米时代,一种能提高晶体管电容的新材料推出。在22纳米时代,三栅极晶体管使芯片性能变得更强大。

  不过,这些新技术也已走到末路。用于芯片制造的光刻技术正面临压力。目前,14纳米芯片在制造时使用的是193纳米波长光。光的波长较长导致制造工艺更复杂,成本更高。波长13.5纳米的远紫外光被认为是未来的希望,但适用于芯片制造的远紫外光技术目前仍需要攻克工程难题。

  即使远紫外光技术得到应用,目前也不清楚,芯片集成度能有多大的提高。如果缩小至2纳米,那么单个晶体管将只有10个原子大小,而如此小的晶体管可靠性很可能存在问题。即使这些问题得到解决,功耗也将继续造成困扰。随着晶体管的连接越来越紧密,芯片功耗将越来越大。

  应变硅和三栅极晶体管等新技术历经了10多年的研究才得到商用。远紫外光技术被探讨的时间更长。而成本因素也需要考虑。相应于摩尔定律,我们还有一个洛克定律。根据后一定律,芯片制造工厂的成本每4年就会翻番。新技术的发展可能将带来更高的芯片集成度,但制造这种芯片的工厂将有着高昂的造价。

  近期,我们已经看到这些因素给芯片公司造成了现实问题。英特尔原计划于2016年在Cannonlake处理器中改用10纳米工艺,这小于当前Skylake芯片采用的14纳米工艺。去年7月,英特尔调整了计划。根据新计划,英特尔将推出另一代处理器Kaby Lake,并沿用此前的14纳米工艺。Cannonlake和10纳米工艺仍在计划之中,但被推迟至2017年下半年发布。

  与此同时,新增的晶体管变得越来越难用。80至90年代,新增晶体管带来的价值显而易见。奔腾处理器的速度远高于486处理器,而奔腾2代又远好于奔腾1代。只要处理器升级,计算机性能就会有明显的提升。然而在进入00年代之后,这样的性能提升逐渐变得困难。受发热因素影响,时钟频率无法继续提高,而单个处理器核心的性能只能实现增量式增长。因此,我们看到处理器正集成更多核心。从理论上来说,这提升了处理器的整体性能,但这种性能提升很难被软件所利用。

  半导体行业的新路线图

  这一系列困难表明,由摩尔定律驱动的半导体行业发展路线图即将终结。但摩尔定律日薄西山并不意味着半导体行业进步的终结。

  爱荷华州大学的计算机科学家丹尼尔-里德(Daniel Reed)打了个比方:“想一想飞机行业发生了什么,一架波音787并不比上世纪50年代的707快多少,但是它们仍然是非常不同的两种飞机。”比如全电子控制和碳纤维机身。“创新绝对会继续下去,但会更细致和复杂。”

  2014年,国际半导体技术路线图组织决定,下一份路线图将不再依照摩尔定律。《自然》杂志刊文称,将于下月发布的下一份路线图将采用完全不同的方法。

  新的路线图不再专注于芯片内部技术,而新方法被称作“比摩尔更多”。例如,智能手机和物联网的发展意味着,多样化的传感器和低功耗处理器的重要性将大幅提升。用于这些设备的高集成度芯片不仅需要逻辑处理和缓存模块,还需要内存和电源管理模块,用于GPS、移动网络和WiFi网络的模拟器件,甚至陀螺仪和加速计等MEMS器件。

  以往,这些不同类型的器件需要用到不同的制造工艺,以满足不同需求。而新路线图将提出,如何将这些器件集成在一起。整合不同制造工艺、处理不同原材料需要新的处理和支持技术。如果芯片厂商希望为这些新市场开发芯片,那么解决这些问题比提高芯片集成度更重要。

  此外,新的路线图还将关注新技术,而不仅是当前的硅CMOS工艺。英特尔已宣布,在达到7纳米工艺之后,将不再使用硅材料。锑化铟和铟镓砷化合物都有着不错的前景。与硅相比,这些材料能带来更快的开关速度,而功耗也较低。碳材料,无论是碳纳米管还是石墨烯,也在继续被业内研究。

  在许多备选材料中,二维材料“石墨烯”被看好。这种自旋电子材料通过翻转电子自旋来计算,而不是通过移动电子。这种“毫伏特”量级(操作电压比“伏特”量级的晶体管要低得多)的电子开关比硅材料开关的速度更快,而且发热量更小。不幸的是这种电子材料还未走出实验室。

石墨烯的扫描探针显微镜图像石墨烯的扫描探针显微镜图像

  尽管优先级下降,但缩小尺寸提高集成度的做法并未被彻底抛弃。在三栅极晶体管的基础上,到2020年左右,“栅极全包围”晶体管和纳米线将成为现实。而到20年代中期,我们可能将看到一体化3D芯片的出现,即在一整块硅片上制作多层器件。

  斯坦福大学的电气工程师Subhasish Mitra和他的同事已经开发出用碳纳米管将3D存储单元层连接起来的办法,这些碳纳米管承载着层间的电流。 该研究小组认为,这样的体系结构可以将能耗降低到小于标准芯片的千分之一。

IBM的3D存储芯片微观结构IBM的3D存储芯片微观结构

  此外,另一种提高计算性能的方法是使用像“量子计算”这样的技术,该技术有望加速某些特定问题的计算速度,还有一种“神经计算”技术旨在是模拟大脑的神经元处理单元。 但是,这些替代性的技术可能需要很久才能走出实验室。 而许多研究者认为,量子计算机将为小众应用提供优势,而不是用来取代处理日常任务的数字计算。去年底,谷歌量子人工智能实验室已证明:他们的D-Wave量子计算机处理某些特定问题,比普通计算机快一亿倍。

D-Wave量子计算机D-Wave量子计算机

  通过新材料、不同的量子效应,甚至超导等不可思议的新技术,半导体行业或许能继续像以往一样提高芯片集成度。如果集成度能获得明显提升,那么市场对速度更快的处理器的需求可能将再次爆发。

  但目前看来,摩尔定律被打破将成为一种新常态。摩尔定律对半导体行业的指导意义正逐渐消失。(维金 边策)

关键字:摩尔定律  半导体

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/article_201602169293.html
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