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自2010年以來,全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界就一直在關(guān)注同一個(gè)話題:摩爾定律何時(shí)走到頭?這也意味著摩爾定律會(huì)失效,這種說法成為了經(jīng)典的論調(diào)。
隨著半導(dǎo)體工藝的不斷升級(jí),每次量產(chǎn)工藝的突破也意味著摩爾定律的懸疑。在28納米量產(chǎn)時(shí),業(yè)界普遍認(rèn)為10納米是硅基芯片的極限,這也意味著10納米時(shí)摩爾定律會(huì)壽終正寢。然而,現(xiàn)在,臺(tái)積電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了3納米,并儲(chǔ)備了2納米和1納米工藝。這也說明摩爾定律的壽命仍在延長(zhǎng),但也有失效的危險(xiǎn)。
為了應(yīng)對(duì)這種情況,美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)微系統(tǒng)技術(shù)辦公室于2017年6月推出了新的電子復(fù)興計(jì)劃(ERI,Electronics Resurgence Initiative),主要目的是擔(dān)心半導(dǎo)體技術(shù)朝前發(fā)展,摩爾定律會(huì)越來越失效。這個(gè)計(jì)劃在某種意義上是現(xiàn)實(shí)版本的“拯救半導(dǎo)體大兵摩爾”。
而摩爾定律的突圍之路包括優(yōu)化芯片架構(gòu)、優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)、改用更合適的材料以及高度集成。美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)會(huì)同美國(guó)半導(dǎo)體研究聯(lián)盟(SRC)組織全球科學(xué)家對(duì)未來半導(dǎo)體發(fā)展方向進(jìn)行了深度探討,形成了芯片從基礎(chǔ)階段到應(yīng)用的八層架構(gòu),其中構(gòu)成底層的四層與老摩爾1965年提出的四條突圍路線有異曲同工之妙。這對(duì)于中國(guó)作為半導(dǎo)體后進(jìn)國(guó)家趕超歐美具有啟發(fā)意義。
中國(guó)可以從以下三個(gè)方面入手:一是材料,如探索超CMOS材料和器件;二是基礎(chǔ)架構(gòu),如使用新型金屬和復(fù)合材料;三是集成,如通過三維單片片上系統(tǒng)(3DSoC)計(jì)劃開發(fā)3D單片技術(shù)。
同時(shí),中國(guó)也要抓住芯片制造業(yè)追趕的機(jī)遇,通過類似先進(jìn)封裝方式進(jìn)行性能快速提升。在美國(guó)電子復(fù)興計(jì)劃的第一批入選項(xiàng)目中,有一項(xiàng)稱為“利用致密細(xì)粒度的單片三維集成技術(shù)徹底改革計(jì)算系統(tǒng)”的項(xiàng)目,該項(xiàng)目的目標(biāo)非常高遠(yuǎn),即通過使用單片三維集成系統(tǒng),使傳統(tǒng)工藝(90-28納米級(jí)別)所制造的芯片能夠與目前最先進(jìn)技術(shù)所制造的芯片相媲美。如果能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo),那么中國(guó)大陸也將擁有與臺(tái)積電7-16納米工藝一戰(zhàn)之力的能力。
此外,中國(guó)在半導(dǎo)體材料方面也要加強(qiáng)研究。雖然碳化硅等化合物半導(dǎo)體材料在功率器件上表現(xiàn)出色,但并不一定是硅基材料的合適替代品。因此,全球科學(xué)家普遍在探索“超CMOS”(beyond-CMOS)材料和器件,這些材料和器件將在未來的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。
最后,從整個(gè)芯片制造周期看,需要通過引入更高效能的EDA工具來實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)(IDEA)。目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)布線圖智能生成器,使沒有電子設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)的用戶能夠在24小時(shí)內(nèi)完成電子硬件的物理設(shè)計(jì),從而覆蓋混合信號(hào)集成電路、系統(tǒng)級(jí)封裝和印刷電路板等全領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)方面的進(jìn)步,可以大大加快芯片制造周期,從而更快地推向市場(chǎng)。
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