魏少军:关于集成电路创新的一些思考

2020-12-18 10:49:32 来源: 互联网
12月17-18日,以“自立自强,在危机中育新机”为主题的2020中国(上海)集成电路创新峰会在上海科学会堂举行。本次峰会由上海市经济和信息化委员会、上海市科学技术委员会和上海推进科技创新中心建设办公室指导,国家集成电路创新中心、上海市科学技术协会、中国电子学会联合主办,上海市集成电路行业协会、上海集成电路产业投资基金、上海市国际科技交流中心、上海科技发展基金会等承办,峰会还得到了摩尔精英集团等机构的大力支持。
 
峰会期间,国家科技重大专项(01)专项专家组总体组组长、中国半导体行业协会副理事长、清华大学魏少军教授带来了主题为《关于集成电路创新的一些思考》的演讲,从集成电路发展历史到现状,再到中国发展契机,囊括技术和产业。笔者大致整理如下:
 
集成电路自诞生之日起,一直依靠创新驱动发展。计算也从人和物的交互,转变为当下的机器与机器的交互,5G和AI在过去几年对社会影响非常大。
 
集成电路的发展方向分为三个方向,芯片架构创新、微纳系统集成、新器件新材料新工艺。这三个方向都是为了推动摩尔定律前行。
 
关于器件结构的变化,魏少军表示,功耗曾是器件变革的重要原因。此前,体硅平面晶体管在20nm已经走到尽头,无法获得等比例缩小的性能、成本和功耗优势。
 
产业界在28nm之后的器件结构选择上曾经争论不休,但英特尔公司在22nm节点上成功采用FinFET晶体管后,产业界在14nm节点采用FinFET达成共识。“因此,大公司对器件结构选择的偏好,也会左右行业的发展,”魏少军如此说道。此外,FinFET结构被认为可以一直使用到5nm节点,但必须找到降低成本的有效途径。FD-SOI是一个重要选项,基于FD-SOI的FinFET技术也可能会占有一席之地。
 
目前来看,晶体管结构和材料也在不断创新,新型晶体管结构如FinFET,Nanosheet/Nanowire等,新型晶体管材料如High mobility channel,2D,CNT等。
 
此处,魏少军提到全包围栅晶体管(GAA),在应用了GAA技术后,业内乐观估计应基本上可以解决3nm乃至更小尺寸的半导体制造问题。
 
这里的GAA是Gate-All-Around环绕式栅极技术的缩写,也称为全包围栅极静态技术,特点是实现了栅极对沟道的四面包裹,源极和漏极不再和基底接触,而是利用线状、平板状或者片状等多个源极和漏极横向垂直于栅极分布后,实现MOSFET的基本结构和功能。
 
三星宣称相比7nm工艺而言,GAA技术电压可以下降至0.7V,并且能够提升35%的性能、降低50%的功耗和45%的芯片面积。同时,三星给出工艺过程展示,虽然GAA的制造和FinFET有一定的相似之处,但是其技术要求更高,难度更大,相应成本也更昂贵。
 
魏少军提到几个晶体管相关的创新技术,一个是负电容技术,2008年的时候,美国加州大学伯克利分校的胡正明教授正在试验中发现,如果在晶体管栅极采用铁电材料,可以在一定条件下实现负电容效应,从而大大降低晶体管的耗电。
 
一个是新型二维材料,天然只有三个原子厚度~0.6nm,制造出1nm晶体管。还有分子级晶体管,新型晶体管中的12铟原子以正六边形排列,每个铟原子的直径是167皮米。可通过改变铟原子上的电荷分布来改变晶体管中心酞菁分子方向,实现“0”和“1”两个状态,但不是传统晶体管的通断开关状态。
 
目前来看,材料和工艺创新是集成电路制造技术发展的主要任务。
 
 
关于芯片架构引领计算领域变革的思考中,魏少军表示,目前美国和欧洲都在高度重视软件定义芯片技术的研究。传统的软硬件划分对完成芯片设计来说已经不够了,芯片的架构设计必须包含芯片和软件两部分。而且由于软件加入而产生的增值也许会超过芯片本身价值。硬件工程师不得不开始介入设计软件。
 
魏少军将目前的处理器归类到以软件可编程性为Y轴,硬件可编程性为Z轴的四个象限里(如下图),其中通用处理器属于第二象限,专用集成电路属于第三象限,可编程逻辑器件为第四象限。软件定义芯片在第一象限里,兼具优异软硬件可编程性。
 
 
据介绍,软件定义芯片架构的通用控制单元是一个可编程的有限状态机。它从外部读取数据流、控制流和配置流信息,即所谓的“软件”;负责运行与任务对应的状态流程图,并以此控制各个子任务的执行,每个状态对应一组数据通道要执行的子任务,控制数据通道完成配置和执行。
 
“应用定义软件,软件定义芯片”是集成电路设计技术的一次根本变革。目前我国在软件定义芯片领域的突破早已于世界同行。软件定义芯片技术是能够替代ASIC和FPGA的新型电路架构技术,有望为我国集成电路设计业摆脱跟随模仿、实现赶超,提供一条全新的技术路线。
 
在集成技术创新开辟摩尔定律延续新路径的思考方面,魏少军表示,如今随着工艺节点不断微缩,设计成本也在爆炸式增长,但是并非所有的器件都需要最先进的工艺。
 
 
比如AMD以实现性能、功耗和成本平衡为目标,提出performance/W和performance/$衡量标准,并推行Chiplet,从而实现了逆袭。
 
此外,业界在封装技术上也从2.5D到3D封装的进阶,3D-IC系统集成也逐渐成为了主流。在此,魏少军提到了英特尔的3D Foveros技术和台积电的3D SoIC方案。
 
最后,魏少军表示,芯片是支撑数字经济发展的基础,在可以预见的未来,尚不会出现能够替代集成电路的其他技术。即使出现了,也需要数十年的时间和花费十数万亿美元才能替代今天的集成电路。
 
再者,经过60多年的发展,集成电路技术又一次站在岔路口上,主流器件、芯片架构和微纳系统集成等三个领域的创新,将是集成电路跨过5nm需要克服的几个关键技术。
 
器件结构的选择将决定未来竞争的制高点,架构创新将引领计算领域的变革,而微纳系统集成技术将开辟摩尔定律延续新路径。三者相互支撑,互相影响,是在5nm之后掌握发展主动权的关键。
 
如今,我国在集成电路领域进步很快,但“核心技术受制于人,产品处于中低端”的情况还没有彻底改观,基础研究和基础人才的培养没有跟上需求的发展是重要原因。未来十年,我们面临器件结构更新,计算架构创新和系统集成路径变革等重大机遇。抓住这些机遇将会大有所为。
 
责任编辑:sophie
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