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“擴(kuò)展摩爾”

隨著“延續(xù)摩爾”遇到的障礙越來越大，人們開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晶體管的尺寸，而是增加系統(tǒng)功能的多樣性，在一個芯片上集成和實(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)用場景。

“擴(kuò)展摩爾”根據(jù)頂層的應(yīng)用與需求來拉動技術(shù)的發(fā)展，其中一個最大的需求就是物聯(lián)網(wǎng)。過去幾十年中，個人電腦和手機(jī)先后普及，但數(shù)量已經(jīng)趨近飽和，將來的數(shù)量至多再提高3倍。而未來的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括智能家居、健康監(jiān)測、自動駕駛汽車、環(huán)境監(jiān)測等，還會增加3個數(shù)量級，構(gòu)成一個無處不在的物聯(lián)網(wǎng)世界。例如，自動駕駛汽車?yán)镄枰す鉁y距雷達(dá)、超聲波傳感器、加速度計等多種傳感器；醫(yī)療領(lǐng)域需要可穿戴式的生理信號監(jiān)測設(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)測領(lǐng)域需要能探測各種二氧化碳、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感知或采集微弱的生理信號、危險氣體的濃度等。我們也需要滿足各種頻段的無線射頻電路，實(shí)現(xiàn)更多樣的無線連接。

另外一個有“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關(guān)頻率，或者在相同的耐受電壓和開關(guān)頻率下有更低的導(dǎo)通和開關(guān)損耗。

此外，人們也將對能量收集技術(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、冷熱溫差或者無線電波、光線等，這將大大地延長芯片的工作時長。

最后，柔性電子將在基于織物的可穿戴設(shè)備、折疊屏幕、薄膜太陽能電池等方面發(fā)揮作用。未來相當(dāng)一部分柔性電子設(shè)備將通過打印在柔性基材上的方式制造出來，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，一種相反的趨勢出現(xiàn)了：將大芯片拆解成尺寸較小的單個芯片，分別制造，然后再通過封裝技術(shù)合成在一起（見圖14-5）。這有點(diǎn)像先制造小塊的樂高積木，然后將其拼成一個更大的整體。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。在這一趨勢下，未來CPU中的內(nèi)核會越來越多。超威半導(dǎo)體公司的一款“霄龍”處理器（簡稱EPYC）中有8個小芯片，每個小芯片中又有8個內(nèi)核，總共有多達(dá)64個內(nèi)核。

小芯片技術(shù)為芯片系統(tǒng)增加了一個自由度，即每個小芯片的制造都可以自由地采用最佳性價比的工藝，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，并通過下方基板互連起來

1958年到1959年基爾比和諾伊斯發(fā)明集成電路時，他們分別解決了集成和互連的問題?，F(xiàn)在60多年過去了，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)、人工智能和超級計算等新技術(shù)的計算需求對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)見圖14-6）。它利用導(dǎo)帶與價帶之間的量子隧穿效應(yīng)，控制晶體管的開與關(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)計限制，使得亞閾值擺幅低于60 mV/dec的下限。不過，TFET的源極與漏極不再像MOS場效晶體管那樣同為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)，儲藏豐富，還有一個天然穩(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。在實(shí)驗(yàn)室中，研究者已經(jīng)用碳納米管制成了CNTFET（見圖14-7），結(jié)構(gòu)類似于硅MOS場效晶體管，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）

無論是BJT，還是MOS場效晶體管等器件，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。光子沒有散熱問題，不受電子噪聲影響，而且光信號延遲小、通信帶寬遠(yuǎn)高于電信號。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)開始變得可能。不過，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，在脈沖信號的激勵下能改變電阻值，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，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，人們在自旋場效晶體管（簡稱Spin-FET）、PCRAM、RRAM、磁阻式隨機(jī)存取存儲器（簡稱MRAM）、柔性薄膜晶體管（簡稱FTFT）等方面也展開了研究，但由于傳統(tǒng)器件成本低、產(chǎn)量大，這些新型器件的優(yōu)勢還無法體現(xiàn)出來，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，“危”中藏“機(jī)”。晶體管縮小之路的終結(jié)也許是一個好消息，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)測的速度前進(jìn)?，F(xiàn)在，MOS場效晶體管尺寸縮小之路的結(jié)束將為非MOS場效晶體管器件的發(fā)展讓出一條路。

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

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

這些設(shè)想將來都能實(shí)現(xiàn)嗎？我們目前還無法確知，但它們未來一定會以一種我們從未看到過、聽到過，甚至從未想象過的方式出現(xiàn)，打破我們曾深信不疑的論斷。也許這里應(yīng)借用計算機(jī)科學(xué)家艾倫·凱（Alan Kay）說過的一句話來回答：“預(yù)測未來最好的方式就是把它發(fā)明出來?！?

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