IC制造未雨綢繆 硅基IC不越摩爾定律雷池
在IC領(lǐng)域，制造工藝決定了最終的設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)，從本質(zhì)上來(lái)講，它是制造決定設(shè)計(jì)的產(chǎn)業(yè)。在這個(gè)領(lǐng)域里面，使用這種手段最為純熟的乃是IBM、Intel這樣的廠商。
但是，IC制造的發(fā)展速度由于IC業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，已經(jīng)快要到材料的極限，電路之間的隔層差不多快要到原子級(jí)別，一些以前不會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。比如制作半導(dǎo)體需要參雜的工藝，就需要控制具體的數(shù)量，而不能如同以前一樣，任由雜質(zhì)進(jìn)行自由組合，這將大大增加IC制造的難度；半導(dǎo)體的絕緣層也將因?yàn)楣饪袒瘜W(xué)藥品本身的特性，凹凸不平的程度將直接影響IC能否正常運(yùn)行，身為IBM院士的陳自強(qiáng)博士指出，當(dāng)電路之間的隔層寬度可能為320埃，而其中的凹坑就有可能為80埃，那就意味著，在一些極端的地方，隔層寬度只有160?！綍r(shí)候，目前的材料還能用么？
硅基IC不越摩爾定律雷池
盡管這是未來(lái)15年以后的事情，專(zhuān)注前沿科技研究的科學(xué)家已經(jīng)等不及了。不僅是因?yàn)椴牧舷拗疲?2nm以下的工藝，無(wú)法使得電路穩(wěn)定運(yùn)行，還會(huì)因?yàn)榧蛇^(guò)于大量的晶體管，使得處理器的功率達(dá)到驚人的地步。
我們可以看到，在過(guò)去的幾年里，我們并沒(méi)有因?yàn)樯a(chǎn)工藝的提高帶來(lái)功耗的真正大幅度降低，反而因?yàn)轭l率和晶體管數(shù)量的大幅度增加而有所增加，這就是目前IC前沿研究所需要急切解決的問(wèn)題。同時(shí)，因?yàn)镃MOS晶體管的絕緣層的距離大大變小，降低的閾值將會(huì)低于1V，那就意味著，IC受到干擾的概率大大增加，而供電電流會(huì)成幾百安培的規(guī)模，的確是相當(dāng)駭人的。
但是，摩爾定律并沒(méi)有因此而被打破，在它提出的將近40年的時(shí)間里，半導(dǎo)體行業(yè)一直小心地遵循摩爾定律，不越雷池。根據(jù)IBM研究院Thomas J.Watson研究中心科技副總裁陳自強(qiáng)的博士說(shuō)，在可見(jiàn)的未來(lái)，摩爾定律仍然不會(huì)被打破，盡管IC領(lǐng)域的人們散失了對(duì)頻率追逐的興趣，但是多核布局還將讓摩爾定律大放光彩。
多核乃是目前遵循摩爾定律不得已的辦法?，F(xiàn)在，Intel的65nm工藝的四核處理器已然如同陳兵百萬(wàn)，蓄勢(shì)而出，TI的65nm工藝也已經(jīng)進(jìn)入了量廠。但是，我們發(fā)現(xiàn)，在IC領(lǐng)域，更多是自己與自己競(jìng)爭(zhēng)，缺乏對(duì)所服務(wù)行業(yè)的支持，成為IC領(lǐng)域過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)的明證。
從技術(shù)上看，IC領(lǐng)域是不用揚(yáng)鞭自?shī)^蹄，跑得比誰(shuí)都快，依然還要追求更快，把自己逼上了梁山，IC領(lǐng)域在材料上的瓶頸也隨之而來(lái)。
我們現(xiàn)在需要這么先進(jìn)的技術(shù)么？比如降低工作電壓，的確提高了頻率，并且降低了同性能下的功率消耗，但是性能的追求使得芯片集成度大大增加，反而使得功耗大幅度上漲，并且對(duì)外界的干擾也逐漸敏感。在一些復(fù)雜的環(huán)境里，反而不太可用。
另外，工藝的大幅度提升，這種累進(jìn)的技術(shù)成果并沒(méi)有完全在產(chǎn)品上得到繼承，反而使得進(jìn)入IC領(lǐng)域的門(mén)檻提高，并且增加了產(chǎn)量上的壓力。為了養(yǎng)活這樣的工廠，大量的設(shè)計(jì)和想法都必須要成為芯片，才有可能使得產(chǎn)業(yè)鏈成活。
那么，解決這個(gè)問(wèn)題還有什么招數(shù)？陳博士介紹說(shuō)，主要有替代材料的研究、邏輯創(chuàng)新和系統(tǒng)創(chuàng)新三個(gè)方面。
替代材料緊俏
在替代材料的研究中，碳納米管是其中的核心。因?yàn)樘技{米管的特性，跟晶體管的特性很相近，IBM已經(jīng)首先使用碳納米管實(shí)現(xiàn)了5個(gè)集成，運(yùn)行頻率達(dá)到了75MHz，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是碳納米管的實(shí)際能力，根據(jù)介紹，它的運(yùn)行潛在頻率高達(dá)950GHz。陳博士介紹說(shuō)，目前最大的問(wèn)題是這種材料的提純很難，導(dǎo)致進(jìn)入工程化的階段速度大大降低，另外，這種材料的集成度一時(shí)很難提高。
除了碳納米管的電特性，它的光電特性也十分誘人，不像傳統(tǒng)的LED，它可以在整個(gè)導(dǎo)電的長(zhǎng)度內(nèi)都能發(fā)光。意味著有可能通過(guò)這個(gè)制造激光或者實(shí)現(xiàn)IC內(nèi)部的通信。陳博士說(shuō)，能否成為目前IC的替代品，必須遵循幾個(gè)原則，最重要的是集成度能不能上去。
因而，實(shí)際上除了碳納米管目前可用之外，還有一些其他的技術(shù)正在研究之中。比如通過(guò)控制電子自旋實(shí)現(xiàn)邏輯表示，從而能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)密度的大幅度上升，它可以在一個(gè)很小的垂直高度上堆疊達(dá)到100層，這就意味著存儲(chǔ)容量的百倍上升。問(wèn)題是，這樣的邏輯實(shí)現(xiàn)起來(lái)有難度，集成度很難提高到需要的程度，進(jìn)入實(shí)用仍需時(shí)日，不過(guò)這種邏輯的耗電非常低，現(xiàn)在的研究表明大約為目前模式的1/1000000，這樣超低功耗IC的研究將成為可能。
除了目前用過(guò)的一些材料，科學(xué)家們開(kāi)始在根據(jù)元素周期表來(lái)選擇一些新的材料，用于IC的制造之中。
當(dāng)然了，半導(dǎo)體的科學(xué)家還在考慮其他的辦法，比如分子的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)信息傳遞和計(jì)算，通過(guò)光子實(shí)現(xiàn)的計(jì)算以及DNA。不過(guò)，在有一段時(shí)間比較熱的非對(duì)稱(chēng)邏輯，并沒(méi)有成為目前研究的邏輯替代方案。
我們現(xiàn)在能做什么？
如果說(shuō)IC是技術(shù)推動(dòng)的還不如說(shuō)是IC制造推動(dòng)的，每一代的技術(shù)進(jìn)步都將帶來(lái)巨大的性能的提升，很顯然，有些層面，目前的IC已經(jīng)超越了我們的需求。我們需要服務(wù)的產(chǎn)業(yè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)被IT產(chǎn)業(yè)拋在了后面，那么，現(xiàn)在需要做的，就是調(diào)轉(zhuǎn)頭來(lái)，從需求的角度來(lái)設(shè)計(jì)IC。
IBM、索尼和東芝合作的Cell就是這樣的產(chǎn)物。它的結(jié)構(gòu)相當(dāng)有趣，各個(gè)模塊并不復(fù)雜，各個(gè)協(xié)處理基元可以根據(jù)需要進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)定，比如特別定制為處理音頻或者視頻。像游戲這種需要大量處理圖形數(shù)據(jù)的應(yīng)用，激發(fā)了這種新的模式，陳博士認(rèn)為，不僅尋找替代材料是當(dāng)務(wù)之急，對(duì)目前系統(tǒng)級(jí)別的創(chuàng)新也是必要的。在編譯器、系統(tǒng)價(jià)格的創(chuàng)新使得Cell成為應(yīng)用很廣的處理器系統(tǒng)。
現(xiàn)在，Cell除了用在索尼的PS3之外，還被用在IBM的刀片服務(wù)器上，以及圖形工作站也將使用這個(gè)處理器。由于處理器具備靈活的可定制特性，使得Cell將成為未來(lái)處理器設(shè)計(jì)的樣板。
多個(gè)核之后，還會(huì)對(duì)稱(chēng)運(yùn)算嗎？顯然是不充分的，這將浪費(fèi)大量資源，因而，當(dāng)制造提供很大潛在能力的時(shí)候，新的需求就要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須有前瞻能力。因而，那種根據(jù)應(yīng)用搭配的處理器，針對(duì)不同應(yīng)用的優(yōu)化將成為主流元素。比如，一個(gè)8個(gè)核的處理器，可進(jìn)行計(jì)算分布，把一部分分給通用計(jì)算，把一部分留給圖形運(yùn)算，這個(gè)時(shí)候，估計(jì)GPU也能集成到其中去了。
系統(tǒng)創(chuàng)新是一個(gè)系統(tǒng)工程，卻尤其不適合像Wintel這樣的松散聯(lián)盟，倒是十分適合索尼PS3以及IBM、SUN等能夠自己整合硬件和軟件的系統(tǒng)，才將成為未來(lái)多核的中堅(jiān)力量。
3D芯片也是目前的應(yīng)急方案。Intel以及IBM都在研究這種芯片的刻蝕技術(shù)。3D的晶體管將不是目前平面上刻蝕出來(lái)，而是雕刻出來(lái)一樣，控制晶體管導(dǎo)通的跨越源極和基極，3D晶體管可以進(jìn)行跨接，實(shí)現(xiàn)3D互通，從而降低芯片的功耗，但是成品率以及測(cè)試成本估計(jì)要上升。
現(xiàn)在預(yù)言IC未來(lái)15年以后的事情，是不恰當(dāng)?shù)?，整個(gè)世界變換如此之快，很難根據(jù)現(xiàn)在的情況去看清楚未來(lái)的事情，但是我們有一點(diǎn)可以相信，IC替代還是有足夠的空間留給我們的IC設(shè)計(jì)和制造走向成熟，若非如此，又趕不上了……
但是，IC制造的發(fā)展速度由于IC業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，已經(jīng)快要到材料的極限，電路之間的隔層差不多快要到原子級(jí)別，一些以前不會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。比如制作半導(dǎo)體需要參雜的工藝，就需要控制具體的數(shù)量，而不能如同以前一樣，任由雜質(zhì)進(jìn)行自由組合，這將大大增加IC制造的難度；半導(dǎo)體的絕緣層也將因?yàn)楣饪袒瘜W(xué)藥品本身的特性，凹凸不平的程度將直接影響IC能否正常運(yùn)行，身為IBM院士的陳自強(qiáng)博士指出，當(dāng)電路之間的隔層寬度可能為320埃，而其中的凹坑就有可能為80埃，那就意味著，在一些極端的地方，隔層寬度只有160?！綍r(shí)候，目前的材料還能用么？
硅基IC不越摩爾定律雷池
盡管這是未來(lái)15年以后的事情，專(zhuān)注前沿科技研究的科學(xué)家已經(jīng)等不及了。不僅是因?yàn)椴牧舷拗疲?2nm以下的工藝，無(wú)法使得電路穩(wěn)定運(yùn)行，還會(huì)因?yàn)榧蛇^(guò)于大量的晶體管，使得處理器的功率達(dá)到驚人的地步。
我們可以看到，在過(guò)去的幾年里，我們并沒(méi)有因?yàn)樯a(chǎn)工藝的提高帶來(lái)功耗的真正大幅度降低，反而因?yàn)轭l率和晶體管數(shù)量的大幅度增加而有所增加，這就是目前IC前沿研究所需要急切解決的問(wèn)題。同時(shí)，因?yàn)镃MOS晶體管的絕緣層的距離大大變小，降低的閾值將會(huì)低于1V，那就意味著，IC受到干擾的概率大大增加，而供電電流會(huì)成幾百安培的規(guī)模，的確是相當(dāng)駭人的。
但是，摩爾定律并沒(méi)有因此而被打破，在它提出的將近40年的時(shí)間里，半導(dǎo)體行業(yè)一直小心地遵循摩爾定律，不越雷池。根據(jù)IBM研究院Thomas J.Watson研究中心科技副總裁陳自強(qiáng)的博士說(shuō)，在可見(jiàn)的未來(lái)，摩爾定律仍然不會(huì)被打破，盡管IC領(lǐng)域的人們散失了對(duì)頻率追逐的興趣，但是多核布局還將讓摩爾定律大放光彩。
多核乃是目前遵循摩爾定律不得已的辦法?，F(xiàn)在，Intel的65nm工藝的四核處理器已然如同陳兵百萬(wàn)，蓄勢(shì)而出，TI的65nm工藝也已經(jīng)進(jìn)入了量廠。但是，我們發(fā)現(xiàn)，在IC領(lǐng)域，更多是自己與自己競(jìng)爭(zhēng)，缺乏對(duì)所服務(wù)行業(yè)的支持，成為IC領(lǐng)域過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)的明證。
從技術(shù)上看，IC領(lǐng)域是不用揚(yáng)鞭自?shī)^蹄，跑得比誰(shuí)都快，依然還要追求更快，把自己逼上了梁山，IC領(lǐng)域在材料上的瓶頸也隨之而來(lái)。
我們現(xiàn)在需要這么先進(jìn)的技術(shù)么？比如降低工作電壓，的確提高了頻率，并且降低了同性能下的功率消耗，但是性能的追求使得芯片集成度大大增加，反而使得功耗大幅度上漲，并且對(duì)外界的干擾也逐漸敏感。在一些復(fù)雜的環(huán)境里，反而不太可用。
另外，工藝的大幅度提升，這種累進(jìn)的技術(shù)成果并沒(méi)有完全在產(chǎn)品上得到繼承，反而使得進(jìn)入IC領(lǐng)域的門(mén)檻提高，并且增加了產(chǎn)量上的壓力。為了養(yǎng)活這樣的工廠，大量的設(shè)計(jì)和想法都必須要成為芯片，才有可能使得產(chǎn)業(yè)鏈成活。
那么，解決這個(gè)問(wèn)題還有什么招數(shù)？陳博士介紹說(shuō)，主要有替代材料的研究、邏輯創(chuàng)新和系統(tǒng)創(chuàng)新三個(gè)方面。
替代材料緊俏
在替代材料的研究中，碳納米管是其中的核心。因?yàn)樘技{米管的特性，跟晶體管的特性很相近，IBM已經(jīng)首先使用碳納米管實(shí)現(xiàn)了5個(gè)集成，運(yùn)行頻率達(dá)到了75MHz，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是碳納米管的實(shí)際能力，根據(jù)介紹，它的運(yùn)行潛在頻率高達(dá)950GHz。陳博士介紹說(shuō)，目前最大的問(wèn)題是這種材料的提純很難，導(dǎo)致進(jìn)入工程化的階段速度大大降低，另外，這種材料的集成度一時(shí)很難提高。
除了碳納米管的電特性，它的光電特性也十分誘人，不像傳統(tǒng)的LED，它可以在整個(gè)導(dǎo)電的長(zhǎng)度內(nèi)都能發(fā)光。意味著有可能通過(guò)這個(gè)制造激光或者實(shí)現(xiàn)IC內(nèi)部的通信。陳博士說(shuō)，能否成為目前IC的替代品，必須遵循幾個(gè)原則，最重要的是集成度能不能上去。
因而，實(shí)際上除了碳納米管目前可用之外，還有一些其他的技術(shù)正在研究之中。比如通過(guò)控制電子自旋實(shí)現(xiàn)邏輯表示，從而能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)密度的大幅度上升，它可以在一個(gè)很小的垂直高度上堆疊達(dá)到100層，這就意味著存儲(chǔ)容量的百倍上升。問(wèn)題是，這樣的邏輯實(shí)現(xiàn)起來(lái)有難度，集成度很難提高到需要的程度，進(jìn)入實(shí)用仍需時(shí)日，不過(guò)這種邏輯的耗電非常低，現(xiàn)在的研究表明大約為目前模式的1/1000000，這樣超低功耗IC的研究將成為可能。
除了目前用過(guò)的一些材料，科學(xué)家們開(kāi)始在根據(jù)元素周期表來(lái)選擇一些新的材料，用于IC的制造之中。
當(dāng)然了，半導(dǎo)體的科學(xué)家還在考慮其他的辦法，比如分子的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)信息傳遞和計(jì)算，通過(guò)光子實(shí)現(xiàn)的計(jì)算以及DNA。不過(guò)，在有一段時(shí)間比較熱的非對(duì)稱(chēng)邏輯，并沒(méi)有成為目前研究的邏輯替代方案。
我們現(xiàn)在能做什么？
如果說(shuō)IC是技術(shù)推動(dòng)的還不如說(shuō)是IC制造推動(dòng)的，每一代的技術(shù)進(jìn)步都將帶來(lái)巨大的性能的提升，很顯然，有些層面，目前的IC已經(jīng)超越了我們的需求。我們需要服務(wù)的產(chǎn)業(yè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)被IT產(chǎn)業(yè)拋在了后面，那么，現(xiàn)在需要做的，就是調(diào)轉(zhuǎn)頭來(lái)，從需求的角度來(lái)設(shè)計(jì)IC。
IBM、索尼和東芝合作的Cell就是這樣的產(chǎn)物。它的結(jié)構(gòu)相當(dāng)有趣，各個(gè)模塊并不復(fù)雜，各個(gè)協(xié)處理基元可以根據(jù)需要進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)定，比如特別定制為處理音頻或者視頻。像游戲這種需要大量處理圖形數(shù)據(jù)的應(yīng)用，激發(fā)了這種新的模式，陳博士認(rèn)為，不僅尋找替代材料是當(dāng)務(wù)之急，對(duì)目前系統(tǒng)級(jí)別的創(chuàng)新也是必要的。在編譯器、系統(tǒng)價(jià)格的創(chuàng)新使得Cell成為應(yīng)用很廣的處理器系統(tǒng)。
現(xiàn)在，Cell除了用在索尼的PS3之外，還被用在IBM的刀片服務(wù)器上，以及圖形工作站也將使用這個(gè)處理器。由于處理器具備靈活的可定制特性，使得Cell將成為未來(lái)處理器設(shè)計(jì)的樣板。
多個(gè)核之后，還會(huì)對(duì)稱(chēng)運(yùn)算嗎？顯然是不充分的，這將浪費(fèi)大量資源，因而，當(dāng)制造提供很大潛在能力的時(shí)候，新的需求就要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須有前瞻能力。因而，那種根據(jù)應(yīng)用搭配的處理器，針對(duì)不同應(yīng)用的優(yōu)化將成為主流元素。比如，一個(gè)8個(gè)核的處理器，可進(jìn)行計(jì)算分布，把一部分分給通用計(jì)算，把一部分留給圖形運(yùn)算，這個(gè)時(shí)候，估計(jì)GPU也能集成到其中去了。
系統(tǒng)創(chuàng)新是一個(gè)系統(tǒng)工程，卻尤其不適合像Wintel這樣的松散聯(lián)盟，倒是十分適合索尼PS3以及IBM、SUN等能夠自己整合硬件和軟件的系統(tǒng)，才將成為未來(lái)多核的中堅(jiān)力量。
3D芯片也是目前的應(yīng)急方案。Intel以及IBM都在研究這種芯片的刻蝕技術(shù)。3D的晶體管將不是目前平面上刻蝕出來(lái)，而是雕刻出來(lái)一樣，控制晶體管導(dǎo)通的跨越源極和基極，3D晶體管可以進(jìn)行跨接，實(shí)現(xiàn)3D互通，從而降低芯片的功耗，但是成品率以及測(cè)試成本估計(jì)要上升。
現(xiàn)在預(yù)言IC未來(lái)15年以后的事情，是不恰當(dāng)?shù)?，整個(gè)世界變換如此之快，很難根據(jù)現(xiàn)在的情況去看清楚未來(lái)的事情，但是我們有一點(diǎn)可以相信，IC替代還是有足夠的空間留給我們的IC設(shè)計(jì)和制造走向成熟，若非如此，又趕不上了……
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