SIA重磅报告:半导体未来的机会

2017-05-17 11:08:38来源: 半导体行业观察 关键字:SIA  半导体

  文/全景网《WE言堂》专栏特约 半导体行业观察

  众所周知,半导体技术是数字和信息时代的基础技术。在半导体行业,如果想要技术开展技术革新,可能的研究方向又有哪些?美国半导体行业协会(SIA)日前发布了一份名为《半导体研究机会:一份产业前景和指导》的报告,对以上问题作出回答。

  SIA指出,通过这些研究方向的前瞻将反过来开启多种应用和技术的大门,从而促进和支持众多经济部门。在推进现有技术继续升级的同时,对现存技术以外的一系列领域的开拓和关键性研究也至关重要。

  而在过去几十年,通过高水平的研究和开发投入,半导体行业的创新速度得到了显著提升。2016年,全球半导体行业的研发投入占总收入的15.5%,总计565亿美元,高于世界上任何行业。制造更快、更好、更廉价芯片,且要求它们具有较低的计算功耗和优秀的功能,这些需求的一个关键的驱动力是:IC上可容纳的晶体管数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,这就是已经活跃了几十年的摩尔定律

  但这种传统的硅基半导体技术正在成熟,以摩尔定律为驱动的路线图似乎触到了天花板,业界迫切需要一种新的超越硅基的路线图。冯·诺依曼计算领域提出了更多性能要求,如低功耗、低电压、超CMOS逻辑和存储器件及相关材料。而在非冯·诺依曼计算中,新的存储元件和材料将促进半导体行业的创新。

  为了使半导体性能实现进一步提升,众多半导体团队正在研究一种综合性方法,能够兼顾半导体技术的方方面面,包括新材料、新制造技术、新结构、新系统架构和应用。未来,基于半导体的系统——无论是小型传感器高性能计算机还是其间的系统——都必须最大限度地提高性能,同时最大限度地减少能源使用并保证安全性和可靠性

  本报告提出了若干半导体行业发展愿景,这些研究议程说明,未来半导体技术将能够在诸如人工或增强智能(AI)、物联网(IoT)、高性能计算(HPC)系统和社会所期待和依赖世界等应用和领域中取得突破性进展。

  要想将新应用推向现实市场,清晰的研究视野是至关重要的。本报告的目的就是为了确定,在半导体行业和价值链中需要优先考虑的一系列研究投资。2016年至2017年的九个月内,不同的行业专家团队和领导人共聚一堂,讨论并概述了影响行业进步至关重要的若干领域,用以指导未来的研究投入。这些领域是:

  1.先进的设备、材料和封装

  2.互连技术和体系结构

  3.智能存储与内存

  4.电源管理

  5.传感器和通信系统

  6.分布式计算和网络

  7.认知计算

  8.基于生物学的计算和存储

  9.先进的体系结构和算法

  10.安全和隐私

  11.设计工具、方法和测试

  12.下一代制造模式

  想象一下在未来,分布式网络传感器、大数据中心和计算能力相结合,进一步促进技术创新并提高生活质量,实现这样的愿景,需要一个基础科学技术研究的广泛平台做支撑。该平台的指导目标是,使计算模式能够从根本上提高能源效率性能和功能,同时确保足够的安全性。为了实现这一目标,迫切需要对超越传统的CMOS器件和电路冯诺依曼结构以及信息处理方法进行研究。另外,还需要研发新材料和可扩展工艺,产生新的制造模式,并将这些新技术融入到产品制作中。

  制定本研究议程的不同专家小组经过讨论,最终确定了若干待研究领域,它们相互依存,并与技术“堆栈”中的多个层次相关。实现上述目标的工艺需要跨学科的方法和在各个层面上工作的科学家和工程师之间的协作。

  

  行业专家团队确定了以下亟待开拓的14个研究领域,以维持美国在先进计算系统领域的领先地位:

  (一)先进的设备、材料和封装

  想要显著提高新型信息处理系统的能源效率和性能,需要具有独特特征设备,而且很可能是基于非常规机制的设备。除了目前在缩放CMOS和常规架构中的研究需求和挑战之外,新型器件还要考虑诸如神经形态架构等替代架构的优势和要求。业界可以开发这样的设备以进一步改进冯诺依曼计算(例如,具有陡峭斜率的低功率设备)或支持非诺曼·诺依曼计算的体系。

  新兴设备和机制通常需要不同性能的材料,这要求业界对替代材料系统和相关接口性质进行广泛研究,例如III-V、SiGe、碳基、低维(2D)、多铁、铁电、磁性、相变和金属绝缘体过渡材料。新材料系统的研发,需要精确的原子沉积和去除(蚀刻和清洁)方法,以便满足大面积适用性、低缺陷、紧密几何结构(亚10 nm)、3D集成,以及高吞吐量等要求。

  安全性的实现主要在诸如,系统设计、算法、协议以及具有适合于安全的固有特征的材料和设备(例如,真实的随机性或不可克隆性)等方面中实现,但在硬件中,实现鲁棒安全特征的潜力也依然存在。设备和架构的协同优化对于充分利用设备特性并提高架构性能至关重要。

  先进的3D集成和封装技术可实现垂直扩展和功能多样化,通过异构整合可能提升系统性能和功能。 除了工艺创新之外,材料和设备的进步也可能推动封装技术的发展,并拓宽3D集成的应用。

  从小型嵌入式传感器到异构“片上系统”,产品的多样性和复杂性日益增加,对封装技术的挑战也越来越大。现今的异构系统集成了以前被降级为板级集成的元件,例如各种无源元件(电容器、电感器等)和有源元件(天线和通信设备,如滤波器)以及存储器和逻辑结构。今天的系统级集成允许每单位体积具有更多的功能。然而,它也突出了多种挑战,比如封装内功率如何更好的传递到更多功能块,热密度管理和信号完整性维护等。这种势还将导致装配复杂性和成本的增加,以及相关的可靠性和测试要求。

  应用领域的快速增长正在对封装技术提出具体要求。在高性能计算中,I / O带宽密度瓶颈和热管理限制了整体封装系统的性能,这个问题重新点燃了业界对芯片间通信金属导体替代品的浓厚兴趣。先进的汽车应用正在推动新需求的产生——能够承受更高热度和功率密度的新型包装材料,以及能提高可靠性的更坚固的材料界面。移动消费应用正在加强严格的形式因素限制,这推动了封装技术的创新。移动领域最新进展包括芯片级封装、fan-out晶圆级封装的进步、采用3D / 2.5D的集成技术。IoT产品需要低成本的封装技术,同时也需要创新,例如,用于可穿戴设备和其他新兴应用的灵活的、可拉伸的电子器件的封装。

  潜在的研究课题

  (1)低功耗、低电压、超CMOS逻辑和存储设备以及冯·诺依曼计算的相关材料:

  (2)高开关比率的陡坡设备;

  – 隧道场效应晶体管(TFET)等新型隧道晶体管,如共振隧穿晶体管;

  – 具有极堆叠增益的晶体管,例如负电容FET

  (3)基于相变、晶格畸变、界面机制和其他转导机制的器件:

  – Mott过渡器件、CDW的器件、应变器件和压电晶体管

  (4)基于自旋的逻辑和存储设备:

  – 低电流密度下具有亚纳秒开关速度

  – 垂直磁各向异性(PMA)结中隧道磁阻(TMR)的幅度改善量级

  – 通过自旋过滤栅进行高自旋极化

  – 电荷-自旋转换效率提高10倍,例如自旋轨道耦合、Rashba界面和拓扑绝缘体材料的研究

  – 磁电和磁致伸缩开关机制提高能效的数量级

  – 利用畴壁运动等新颖机制的自旋装置

  – 分层和嵌入式应用中的磁存储器,例如通过抗铁磁性实现的超快切换,用于新型器件设计的巨型旋转霍尔效应等。

  (5)超CMOS设备、储存元件、非冯·诺依曼计算材料

  用于机器学习的硬件加速的装置,适用于人造神经网络训练和推断。例如人造神经元和突触装置,2-端模拟电阻装置,忆阻装置,基于旋转的装置和用于神经形态和生物启发信息处理的装置,以及相关材料开发。

  ? 纳米功能设备,例如保真的本机乘除和加法。

  ? 用于新型阵列计算和存储实现的内存器元件和2-端选择器,包括3D的采用。

  (6)除电荷和自旋(例如,电化学、电生物、光子和相位)之外,设备和材料还利用其他状态变量,以满足着改善的性能、信息密度或能量效率的需求。

  (7)物联网相关设备和材料:

  ? 用于传感器节点和网络中传感、信息处理、存储和通信的超低功耗设备设计。

  ? 用于大面积传感器计算和机器学习领域的柔性或其他非传统基质材料和设备。

  ? 用于能量产生、清除、存储和管理的尺寸/重量受限的平台的材料和设备。

  ? 超CMOS器件和材料的THz通信和传感器。

  (8)基于安全性的设备和电路:

  ? 具有独特属性的设备,以实现内置的安全功能,例如伪装、逻辑加密等。

  ? 制造具有降低能量和面积开销的安全原语的设备,例如物理不可克隆功能(PUF),随机数发生器等。

  (9)电源管理材料和设备:

  ? 用于提高功率性能的半导体材料和器件,包括给定击穿电压的低导通电阻和最佳切换品质因数。包括用于高电压,大功率器件的宽带隙半导体(例如GaN和SiC)

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关键字:SIA  半导体

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/manufacture/article_2017051714518.html
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