由于數(shù)字應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理的迅速興起，計(jì)算能力需求呈爆炸式增長。隨著越來越多地使用人工智能來應(yīng)對我們這個(gè)時(shí)代的主要挑戰(zhàn)，例如氣候變化或糧食短缺，從現(xiàn)在開始，計(jì)算需求預(yù)計(jì)每六個(gè)月就會翻一番。為了以可持續(xù)的方式處理呈指數(shù)級增長的數(shù)據(jù)量，我們需要改進(jìn)的高性能半導(dǎo)體技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們需要同時(shí)應(yīng)對五個(gè)挑戰(zhàn)。雖然世界上沒有一家公司可以單獨(dú)完成這一目標(biāo)，但整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的共同創(chuàng)新和協(xié)作將使摩爾定律得以延續(xù)：這是 imec 未來 15 至 20 年雄心勃勃的路線圖的關(guān)鍵信息。

一次五面墻

縮放墻：純光刻支持的縮放正在放緩。由于微芯片和晶體管的單個(gè)結(jié)構(gòu)正在接近原子的大小，量子效應(yīng)開始干擾微芯片的運(yùn)行，這變得越來越困難。

內(nèi)存墻：系統(tǒng)性能面臨內(nèi)核和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)路徑限制。事實(shí)上：內(nèi)存帶寬跟不上處理器性能。我們每秒有更多的觸發(fā)器而不是每秒千兆字節(jié)。

功率墻：將功率引入芯片并從芯片封裝中提取熱量變得越來越具有挑戰(zhàn)性，因此我們必須開發(fā)改進(jìn)的功率傳輸和冷卻概念。

可持續(xù)性墻：半導(dǎo)體設(shè)備的制造導(dǎo)致環(huán)境足跡不斷增加，包括溫室氣體和水、自然資源和電力消耗。

成本墻：顯然，芯片制造成本可能會隨著復(fù)雜性的增加以及設(shè)計(jì)和工藝開發(fā)成本的增加而激增。

拆墻

乍一看，戈登摩爾的預(yù)言看起來并不那么美好，他首先指出密集集成電路 （IC） 中的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番。如果我們頑固地堅(jiān)持 Dennard 縮放和傳統(tǒng)的 Von Neumann 計(jì)算架構(gòu)，這種預(yù)測尤其正確。

在其擴(kuò)展路線圖中，imec 為芯片技術(shù)的未來提出了一條替代路徑，在架構(gòu)、材料、晶體管的新基本結(jié)構(gòu)以及……范式轉(zhuǎn)變方面進(jìn)行了根本性的改變。到 2036 年，imec 路線圖將使我們從 7 nm 到 0.2 nm 或 2 ?ngstr?m，保持兩到兩年半的介紹速度。

首先，光刻技術(shù)的不斷進(jìn)步將是進(jìn)一步縮小尺寸的關(guān)鍵：傳統(tǒng)的光刻技術(shù)使用光，而如今，光的波長大于圖案所需的精度。這就是引入極紫外 （EUV） 光刻的原因。它現(xiàn)在出現(xiàn)在越來越多的用于批量生產(chǎn)的功能性生產(chǎn)帶上。EUV 將把我們從5納米時(shí)代帶到2納米時(shí)代。為了變得更小，我們需要 EUV 的更新版本，High NA-EUV，以及更大的鏡頭。它們的直徑為 1 米，精度為 20 皮米。對于High NA EUV，ASML 正在開發(fā)的第一個(gè)原型將于 2023 年面世。預(yù)計(jì)在 2025 年或 2026 年的某個(gè)時(shí)候投入大批量生產(chǎn)。為了降低在制造業(yè)中引入的風(fēng)險(xiǎn)，imec 與阿斯麥正在緊密合作。

同時(shí)我們還需要晶體管架構(gòu)的創(chuàng)新。如今，幾乎所有芯片制造商都使用FinFET晶體管制造微芯片。然而，進(jìn)入 3nm 代時(shí)，F(xiàn)inFET 受到量子干擾，導(dǎo)致微芯片運(yùn)行中斷。

接下來是環(huán)柵 （GAA）或納米片晶體管，由納米片堆疊而成，它將提供改進(jìn)的性能和改善的短溝道效應(yīng)。從 2 nm 開始，這種架構(gòu)將是必不可少的。三星、英特爾和臺積電等主要芯片制造商已經(jīng)宣布，他們將在其 3 納米和/或 2 納米節(jié)點(diǎn)中引入 GAA 晶體管。forksheet 晶體管是 imec 的發(fā)明，甚至比 nanosheet 晶體管更密集，將 gate-all-around 概念擴(kuò)展到 1 nm 一代。forksheet 架構(gòu)在負(fù)溝道和正溝道之間引入了屏障，使溝道更加靠近。該架構(gòu)有望使單元尺寸縮小 20%。

通過將負(fù)溝道和正溝道相互疊加，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的縮放，稱為互補(bǔ) FET （CFET） 晶體管，是 GAA 的復(fù)雜垂直繼承者。它顯著提高了密度，但以增加工藝復(fù)雜性為代價(jià)，尤其是接觸晶體管的源極和漏極。

隨著時(shí)間的推移，CFET 晶體管將采用原子厚度的新型超薄二維單層材料，如二硫化鎢 （WS2） 或鉬。該器件路線圖與光刻路線圖相結(jié)合，將帶我們進(jìn)入埃格斯特倫時(shí)代。

這些亞 2 納米晶體管的系統(tǒng)級還面臨著另外兩個(gè)挑戰(zhàn)。內(nèi)存帶寬跟不上 CPU 性能。處理器的運(yùn)行速度不能超過從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)和指令的速度。要推倒這堵“內(nèi)存墻”，內(nèi)存必須離芯片更近。拆除內(nèi)存墻的一種有趣方法是 3D 片上系統(tǒng) （3D SOC） 集成，它超越了當(dāng)今流行的小芯片方法。按照這種異構(gòu)集成方法，系統(tǒng)被劃分為獨(dú)立的芯片，這些芯片在三維中同時(shí)設(shè)計(jì)和互連。例如，它將允許在核心邏輯設(shè)備上為 level-1-Cash 堆疊一個(gè) SRAM 內(nèi)存層，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與邏輯的快速交互。

關(guān)于與系統(tǒng)相關(guān)的挑戰(zhàn)，為芯片提供足夠的功率并散發(fā)熱量變得更加困難。然而，一個(gè)解決方案就在眼前：配電現(xiàn)在從晶圓頂部穿過十多個(gè)金屬層到達(dá)晶體管。Imec 目前正在研究晶圓背面的解決方案。我們會將電源軌沉入晶圓，并使用更寬、電阻更小的材料中的納米硅通孔將它們連接到背面。這種方法將電力傳輸網(wǎng)絡(luò)與信號網(wǎng)絡(luò)分離，提高整體電力傳輸性能，減少路由擁塞，并最終允許進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)單元高度縮放。

最后，半導(dǎo)體制造是有代價(jià)的。它需要大量的能源和水，并產(chǎn)生危險(xiǎn)廢物。但整個(gè)供應(yīng)鏈需要致力于解決這個(gè)問題，而生態(tài)系統(tǒng)方法將是必不可少的。去年，imec 啟動(dòng)了可持續(xù)半導(dǎo)體技術(shù)和系統(tǒng) （SSTS） 研究計(jì)劃，該計(jì)劃匯集了半導(dǎo)體價(jià)值鏈的利益相關(guān)者——從亞馬遜、蘋果和微軟等大型系統(tǒng)公司到供應(yīng)商，包括 ASM、ASML、KURITA、SCREEN、和東京電子。目標(biāo)是減少整個(gè)行業(yè)的碳足跡。該計(jì)劃評估新技術(shù)對環(huán)境的影響，確定影響大的問題，并在技術(shù)開發(fā)的早期定義更環(huán)保的半導(dǎo)體制造解決方案。

模式轉(zhuǎn)變

從長遠(yuǎn)來看，馮諾依曼架構(gòu)需要徹底改革。馮·諾依曼教授將數(shù)字計(jì)算機(jī)視為一個(gè)具有輸入、中央處理器和輸出的系統(tǒng)。但我們需要向特定領(lǐng)域和應(yīng)用程序相關(guān)的架構(gòu)發(fā)展，大規(guī)模并行化可與人腦的工作方式相媲美。這意味著 CPU 將扮演更小的角色，有利于為特定工作負(fù)載定制電路。

這種范式轉(zhuǎn)變，加上前方的障礙，標(biāo)志著半導(dǎo)體行業(yè)有趣時(shí)代的開始。我們需要在整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行共同創(chuàng)新和協(xié)作：代工廠、IDM、無晶圓廠、fab-lite、設(shè)備和材料供應(yīng)商。不僅僅是為了滿足摩爾定律，而是因?yàn)榘雽?dǎo)體是高性能深度技術(shù)應(yīng)用的核心，可以在應(yīng)對氣候變化、可持續(xù)交通、空氣污染和食物短缺等我們這個(gè)時(shí)代的挑戰(zhàn)方面取得有影響力的進(jìn)展。 賭注很高。

審核編輯 ：李倩