根據(jù)一份有關(guān)半導(dǎo)體發(fā)展藍(lán)圖的白皮書(shū)，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制程微縮預(yù)計(jì)將在2024年前告終；好消息是各種新型的元件、芯片堆疊和系統(tǒng)創(chuàng)新仍持續(xù)使運(yùn)算性能、功耗和成本受益…
根據(jù)致力于規(guī)劃新版半導(dǎo)體發(fā)展藍(lán)圖的工程師所提供的白皮書(shū)，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制程微縮預(yù)計(jì)將在2024年以前告終。值得慶幸的是，各種新型的元件、芯片堆疊和系統(tǒng)創(chuàng)新，可望持續(xù)使運(yùn)算性能、功耗和成本受益。
在國(guó)際元件與系統(tǒng)技術(shù)藍(lán)圖(International Roadmap for Devices and Systems；IRDS)最新發(fā)表的一份白皮書(shū)中提到，“由于多間距、金屬間距以及單元高度同時(shí)微縮，使得晶粒成本迄今持續(xù)降低。這一趨勢(shì)將持續(xù)到2024年。”
在2024年以后，該白皮書(shū)中提到，“已經(jīng)沒(méi)有足夠的空間布局觸點(diǎn)，加上接觸多間距(CPP)微縮導(dǎo)致性能退化的結(jié)果，預(yù)計(jì)實(shí)體通道長(zhǎng)度將因靜電程度惡化而在12nm飽和，CPP則在24nm飽和，以保留足夠的電源密度(~11nm)，使元件觸點(diǎn)提供可接受的寄生效應(yīng)。”
IRDS是首度于1965年發(fā)布的“國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖”(ITRS)之延伸版本。去年五月，IEEE接手后將它重新命名為IRDS，并擴(kuò)展到涵蓋新型系統(tǒng)級(jí)技術(shù)。
IEEE預(yù)計(jì)將于11月在美國(guó)華府舉行的活動(dòng)上正式發(fā)布IRDS的第一個(gè)版本。新的白皮書(shū)象征邁向更新版本的過(guò)渡階段。
在ITRS時(shí)代的許多白皮書(shū)都在介紹傳統(tǒng)的研究，例如CMOS微縮、新興元件與良率等。只有幾篇論文能不落俗套地介紹一些新的領(lǐng)域，例如系統(tǒng)互連，以及量子與神經(jīng)系統(tǒng)等新型運(yùn)算。
半導(dǎo)體芯片將自2021年起面臨實(shí)體尺寸限制的挑戰(zhàn)（來(lái)源：IRDS）
在所有的白皮書(shū)中，所謂的“后摩爾定律”(More Moore)在文章中有最詳盡的介紹。它提供有關(guān)邏輯元件與存儲(chǔ)器元件尺寸與材料及其關(guān)鍵元件(如互連)的大量資訊。
例如，在白皮書(shū)中預(yù)測(cè)，F(xiàn)inFET可為實(shí)現(xiàn)高性能邏輯應(yīng)用持續(xù)微縮到2021年；然而，在2019年以后，將開(kāi)始轉(zhuǎn)向環(huán)繞式閘極(GAA)電晶體，并可能轉(zhuǎn)向需要垂直納米線(xiàn)元件，屆時(shí)將會(huì)因?yàn)轹捚瑢挾任⒖s限制，而不再有閘極長(zhǎng)度微縮的空間。”
該白皮書(shū)中并預(yù)測(cè)，插入高遷移率材料(如鍺)，可望使“驅(qū)動(dòng)電流提高一個(gè)數(shù)量級(jí)”。
它還預(yù)測(cè)，隨著芯片制造商轉(zhuǎn)移到水平和垂直GAA電晶體，“2019年以后的寄生效應(yīng)將隨設(shè)計(jì)規(guī)則緊縮而成為主要的旋鈕，預(yù)計(jì)寄生效應(yīng)將在關(guān)鍵路徑性能發(fā)揮更大影響力。”
芯片堆疊和各種新興元件可望為CMOS以外的元件提高性能以及降低成本。“業(yè)界必須追尋3D整合路徑，如堆疊與單片3D (或序列整合)，以維持系統(tǒng)的性能與增加功率，同時(shí)保有成本優(yōu)勢(shì)。” IEEE研究員兼IRDS主席Paolo A. Gargini表示：“我們的研究團(tuán)隊(duì)正致力于確認(rèn)挑戰(zhàn)以及提議可能的解決方案，突破摩爾定律所定義的現(xiàn)有限制。”
隨著芯片微縮，新的材料將需要保持性能和低功耗。（來(lái)源：IRDS）
系統(tǒng)創(chuàng)新就在眼前...
這份白皮書(shū)的初步版本針對(duì)新系統(tǒng)架構(gòu)指出，“針對(duì)摩爾定律的限制，許多組織均根據(jù)新的元件實(shí)體提出補(bǔ)救措施。代表性的新元件包括神經(jīng)形態(tài)電路、量子位元與自旋電子學(xué)等等。這些新的元件代表大幅擴(kuò)展以往關(guān)注于CMOS與微處理器的領(lǐng)域…明顯偏離了現(xiàn)有的發(fā)展路徑。”
為了實(shí)現(xiàn)這種新架構(gòu)，該發(fā)展藍(lán)圖還包括有關(guān)于應(yīng)用基準(zhǔn)的新部份，標(biāo)示出11個(gè)值得追蹤的領(lǐng)域，廣泛地涵蓋運(yùn)算方式等。
針對(duì)系互連部份則廣泛探討有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)連接的挑戰(zhàn)，包括為先進(jìn)的RF電路“增加鍺和三五族(III-V)材料的使用，并將其整合于硅基的CMOS平臺(tái)上。”
數(shù)據(jù)中心“則需要緊密型低成本功率光子元件以及緊密型布線(xiàn)電路的開(kāi)發(fā)。”
半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)藍(lán)圖預(yù)期未來(lái)各種不同的運(yùn)算方式將遍地開(kāi)花（來(lái)源：IRDS）
最后還探討了確保新興物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將采取“需要耦合軟件與硬件的新方法”。有趣的是，在預(yù)測(cè)CMOS微縮的部份，也預(yù)期英特爾(Intel)最近發(fā)布的3D XPoint將會(huì)是新一代的儲(chǔ)存類(lèi)存儲(chǔ)器之一。
“盡管細(xì)節(jié)部份仍然不足，但據(jù)推測(cè)，基于硫族化物的相變材料閾值切換(OTS)特性構(gòu)成了選擇器元件的核心。”