芯片发展路线图呈现出减速与发散之势

本文摘要：Imec的半导体未来发展：无限大与道路选项。英特尔、三星以及台积电等厂商都有可能公布自己的下一代晶体管产品。 之所以各遍寻决心，是因为在面临完全无法突破的技术无限大之后，半导体发展路线图开始呈现出收敛的整体态势。在一年一度的大会活动当中，Imec研究人员们所列了一份被行业观察者们称作“寒武纪愈演愈烈”的选项表格，目的为这条或许早已回头必经的道路寻找新的突破口。这份表格当中包括多种晶体管设计、材料、架构以及PCB方法。

Imec的半导体未来发展：无限大与道路选项。英特尔、三星以及台积电等厂商都有可能公布自己的下一代晶体管产品。

之所以各遍寻决心，是因为在面临完全无法突破的技术无限大之后，半导体发展路线图开始呈现出收敛的整体态势。在一年一度的大会活动当中，Imec研究人员们所列了一份被行业观察者们称作“寒武纪愈演愈烈”的选项表格，目的为这条或许早已回头必经的道路寻找新的突破口。这份表格当中包括多种晶体管设计、材料、架构以及PCB方法。Imec研究协会首席执行官Luc van den Hove在主题演说当中回应，“通用型设备或许仍然有发展空间……一线形式的路线图也有可能无法符合市场需求。

未来还不具体，但我们似乎必须更加多选项。”鉴于Imec所展出的发展路线图早已十分精神状态地反映出有我们对于当前困境的解读，工程师们将需要借此取得先前探寻所必须的一切手段。从尺寸上看，这份路线图预计下几代芯片都将不能在个位数纳米级别区间内前进。

换言之，栅极长度多达40纳米，金属间距为16纳米以及节点尺寸2纳米难道早已是物理层面的确实无限大。研究人员们展出了一份坦率而大力的发展路线图，其中N7与目前晶圆代工厂生产的N5节点类似于。

结果就是，芯片的性能有可能将无法符合高端用于场景的市场需求。虽然有效地功率早已封顶，但在某些情况下现有芯片方案仍不存在改良空间，尤其是那些不愿从FinFET改向更加灵活的纳米片晶体管的设计方案。在另一方面，专心于为各类移动系统增大芯片尺寸并构建功率掌控的芯片制造商有可能还将之后长年依赖FinFET。

忽略，那些疯狂期望取得更进一步性能提高的人们则不会提早改向纳米片设计，Imec公司预计这将使芯片的主频减少8%，但代价就是芯片尺寸无法增大。纳米片实质上代表着被Imec此前称作forksheet的一种新兴技术的中间产物。这种设计的实质，在于延长n与p元件之间的距离。紧凑型晶体管的终极形态就是有序或者横向FET，其通过填充n与p元件将FET实施在四个甚至三个轨道之上。

在此过程当中，工程师们可能会尝试将基板的k值减少至3.3，甚至最后突破原本的天竺葵结构。Imec逻辑拓展计划主管Julien Ryckaert回应，“其中很多设计都是我们独有的。”在标准单元与更高级别上工作的设计人员则不必须过于多注目晶体管本身的变化；但如果他们期望转变晶圆代工厂的生产方式，则必须拒绝接受额外的交叉检查。

Imec项目主管Diederik Verkest回应，却是享有自己内存宏与单元库的晶圆代工企业也必须“了解解读技术方面正在再次发生的变化。”纳米片（全称NS）预计将在未来全面打破FinFET（全称FF）。少数新兴的晶圆、芯片与晶体管堆栈将获取额外的性能提高空间，进而彻底挑战传统的SoC。

然而，这些技术在设备校准与加热方面也面对着自己的独有挑战——具体来讲，此类设计或许不会将发热量提高至500瓦级别。Imec方面还叙述了SoC的全面改建方向，也就是有序3D——其将对电源、逻辑以及存储器电路的有所不同市场需求展开合并与优化。其中一个版本将功率传输电路放到晶圆背面，减薄至几百纳米，并利用微小的硅通孔展开相连。

另一个极具野心的版本则利用铜相接铜键将SRAM内存放置在核心上方的载体晶圆上。最后的有序3D结构将呈现三明治式设计，底部为SRAM阵列，顶部为电源电路，中间则是核心逻辑。

其目标在于最大限度提高SRAM尺寸，同时减少生产成本。随着晶体管通过互补式FET被增大为3到4轨道设备，内挖出供电轨道（全称BPR）将沦为一种普遍性设计。这套方案为各类设备（例如无供电器件）的构建打开新的大门。

然而，Imec在最初的5纳米展示方案中未获取任何有源结构。Ryckaert回应，“这将是一片新的天地……这里早已不存在一份原始的发展路线图，所以摩尔定律还没过时。”如果要更进一步冲击1到2纳米节点，工程师们则必须退出铜与钴材料，转而用于钌等新的金属载体。

这类材料使得设计师需要保证其不致蔓延到二氧化硅屏蔽层当中。除了晶片层面之外，研究人员还辩论了另外六种新的PCB技术。举例来说，Imec方面正在研发一种成本更加便宜的英特尔EMIB变体，其将桥接基板构建至一套PCB当中。其它选项还包括将点对点机制的尺寸增大至数百微米甚至数十纳米甚至级别。

Imec 3D芯片项目管理研究员Eric Beyne认为，“在某些情况下，我们必须注目的早已仍然是单一逻辑节点……但可以认同的是，没哪种PCB技术需要符合一切市场需求。”密度极高的堆栈将使得设备的力学系统水平超过数百瓦，因此Beyne的团队于是以致力于研发3D打印机塑料帽，用作为设备获取水冷辅助。晶圆、晶片与晶体管PCB选项涵括从几微米到数纳米的辽阔区间。

然而，PCB发展路线图依然受到设备能力方面的容许。某种程度的，用作设计电路系统的EDA工具也还没准备就绪。但他回应，“我们早已找到了一条未来将会走通的道路。

”英特尔公司首席技术官Mike Mayberry在主题演说中回应，这些变化代表着传统半导体技术的近期发展方向。传统处理器将与新的、特定于某些领域的加速器并存，微软公司在自家数据中心之内利用x86处理器与FPGA结合的作法就是很好的例子。

他最后总结称之为，“当我们不确认前路在何方时，这些案例带给了很好的灵感……摩尔定律仍在之后，只是发展出有了混合给定的功能与架构，目的应付日益提升的数据产生速度。

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