3983金沙官网摩尔定律已死,半导体行当观望

作者:3983com金沙网站

  本文来自《科技日报》,记者/刘霞。

原标题:摩尔定律放缓 石墨烯3D芯片能延续美半导体荣光

如果我们的电子产品想要变得更小更快,就需要技术上的进步。

本文作者Thomas秦,文章来源【硬报纸】:有硬度、有深度,智能硬件领域独立思考者

3983金沙官网 1计算设备体积随着半导体工业发展呈指数式缩小

  硅计算机芯片从面世到现在已走过50多个春秋,正如一个迈入老年的人,硅芯片创新的步伐已明显放缓。现在,美国国防部高级研究计划局(DARPA)“受命于危难之间”,开始着手解决这一问题。

自从特朗普把"美国优先"树立为美国政府制定政策的标准以来,美国的各个产业部门都应景地涌现出"使美国再次伟大"的方案和计划来,其中自然少不了电子行业。美国国防高级研究计划局(DARPA)作为美国军用技术研究主要管理部门适时地启动了电子复兴计划。

3983金沙官网 2

3983金沙官网 3

在“患病多年”后,摩尔定律于51岁“寿终正寝”。

  据美国《科学》杂志官网报道,7月24日,DARPA宣布了一项总额7500万美元的计划,旨在通过提升包括碳纳米管在内的新材料和新设计的基础研究,重振芯片产业。在接下来的5年内,DARPA的这一项目每年都将增长到3亿美元,总计15亿美元,为学术界和产业界人士提供相关资助。

该计划旨在团结美国的产业界和学术界,以重振美国略显颓势的芯片产业。因其宣称将改变微电子行业的生产方式,所以有的媒体也鼓吹美国的电子复兴计划将引发第二次电子革命。

我们生活在一个由计算机电路驱动的世界。现代生活依赖于半导体芯片和硅基集成电路上的晶体管,它们可以开关电子信号。大多数晶体管使用丰富而廉价的硅元素,因为它既可以阻止也可以允许电流流动,它既是绝缘体又是半导体。

                                            没有摩尔定律,就没有盖茨、乔布斯、扎克伯格。

1965年,英特尔联合创始人戈登-摩尔观察到,集成电路中的元件集成度每12个月就能翻番。此外,确保每晶体管价格最低的单位芯片晶体管数量每12个月增长一倍。1965年,单位芯片50个晶体管可以带来最低的每晶体管成本。摩尔预计,到1970年,单位芯片可集成1000个元件,而每晶体管成本则将下降90%。

  对此,美国卡耐基梅隆大学计算机科学政策专家埃里卡·福斯欣喜地表示:“到了必须进行这一步的关键时刻了。”

3983金沙官网 4

直到最近,挤压在硅芯片上的微型晶体管每年的体积都缩小一半。它造就了现代数字时代,但这个时代即将结束。随着物联网、人工智能、机器人技术、自动驾驶汽车、5G和6G手机这些计算密集型工作的问世,科技的未来岌岌可危。那么接下来会发生什么呢?

我们曾经理所当然地以为,科技的高速发展就和天朝GDP一样,是永不止步的。直到它减速放缓,我们才突然意识到,任何免费午餐都有完结的那天。

在对数据进行提炼和简化之后,这一现象就被称作“摩尔定律”:单位芯片晶体管数量每12个月增长一倍。

  硅芯片正接近物理极限

美国的这一计划分为三个部分:

什么是摩尔定律?

在半导体行业,随着制程突破10nm的里程碑,传统芯片工艺已经遭遇瓶颈,摩尔定律在不久的未来即将失效。面对摩尔定律,即使Intel自己,也束手无策。

摩尔的观察并非基于任何科学或工程原理。这仅仅反映了行业发展趋势。然而,在随后的发展中,半导体行业并没有将摩尔定律当作描述性、预测性的观察,而是视为规定性、确定性的守则。整个行业必须实现摩尔定律预测的目标。

  1965年,英特尔公司联合创始人戈登·摩尔提出,芯片上可容纳的晶体管数目,大约每18个月增加一倍——这就是我们所熟知的摩尔定律。

一类关乎设计,包括:电子智能资源(IDEA)和先进开源硬件(POSH),主要涉及到降低设计成本的问题。

摩尔定律是计算能力的指数增长。早在1965年,英特尔联合创始人戈登·摩尔就观察到,一英寸计算机芯片上的晶体管数量每年翻一番,而成本则减半。现在,这个时间是18个月,而且越来越长。事实上,摩尔定律不是定律,只是一个为芯片制造商工作的人的观察结果,但增长的时间意味着未来的密集计算应用可能受到威胁。

恐怕以后,你不能像从前那样,每年换新机了。

然而,实现这一目标无法依靠侥幸。芯片开发是一个复杂过程,需要用到来自多家公司的机械、软件和原材料。为了确保所有厂商根据摩尔定律制定同样的时间表,整个行业遵循了共同的技术发展路线图。由英特尔、AMD、台积电、GlobalFoundries和IBM等厂商组成的行业组织半导体协会从1992年开始发布这样的路线图。1998年,半导体行业协会与全球其他地区的类似组织合作,成立了“国际半导体技术路线图”组织。最近的一份路线图于2013年发布。

  在随后30年中,通过缩小芯片上元件的尺寸,芯片发展一直遵循着摩尔定律。然而进入21世纪,单纯依靠缩小尺寸的做法已经明显走到尾声。

一类关乎计算机体系结构,包括:软件定义硬件(SDH)和区域片上系统(DSSoC),主要关注硬件与软件之间独立性和兼容性的问题。

3983金沙官网 5


摩尔定律提出的预测早在很久之前就已出现过问题。1975年,摩尔本人更新了摩尔定律,将半导体行业的发展周期从12个月增加至24个月。在随后30年中,通过缩小芯片上元件的尺寸,芯片发展一直遵循着摩尔定律。

  如果芯片缩小至2纳米,那么单个晶体管将只有10个原子大小,如此小的晶体管,其可靠性很可能存在问题。而随着晶体管的连接越来越紧密,另一个问题也凸显出来——芯片功耗将越来越大。

最后一类关注整合材料的问题,即制造芯片材料的整合问题,包括3D片上系统(3dSoC)和新计算基础需求分析(FRANC)。

摩尔定律已死?

面对摩尔定律

一切要从半个多世纪前的一场讲座说起。

1960年,宾夕法尼亚大学举行的国际固态电路大会上,35岁的计算机工程师道格拉斯•恩格尔巴特(Douglas Engelbart)提出了一个半导体领域突破性的idea——缩放原理(Scaling Principle):缩小电路的尺寸,元器件的运行速度将不断加快,功耗和制造成本反而随之下降。

说者无心,听者有意。当时台下的听众之一,就是年仅31岁的戈登•摩尔(Gordon Moore)。5年后,摩尔在《电子》杂志发表了一篇只有3页的文章,却成为半导体历史上最重要的论文。文中,摩尔将恩格尔巴特的缩放原理进一步量化,作出预言:今后数十年内,集成电路上的晶体管数目,将以每18个月翻一番的速度稳定增长。

这就是半导体行业第一定律:摩尔定律。摩尔定律对半导体工业的预言的准确性,超出了任何一个经济学家在任何一个工业领域里的预言。就连摩尔自己,都没想到这条金科玉律能延续近60年屹立不倒。

3983金沙官网 6

摩尔定律:半导体科技的指路明灯

摩尔定律意味着什么?正如戈登•摩尔自己所言,摩尔定律不是物理定律,而是市场机遇。只要不断缩小晶体管,提高集成度,芯片就能保持一两年翻一番的指数增长;只要发展速度保持指数增长,很快芯片成本就能降到普通人都用的起、性能强大到无所不能、功耗低到可以装在任何设备上——那么开发出最创新的芯片,就能开创这个时代最伟(zhuan)大(qian)的事业。

后面的故事,想必大家都知道了。1968年,摩尔带着好基友诺伊斯“叛逃”仙童公司自立门户,创立了Intel。在Intel的40多年间,主内的摩尔负责技术,主外的诺伊斯做战略和模式,又找来“偏执狂”格鲁夫做公司管理,三个火枪手把Intel处理器装进了全球几十亿台PC机,让两三个人的创业公司,成长为千亿级的上市公司。

3983金沙官网 7

风华正茂的大叔:摩尔(左)和诺伊斯

说句题外话:这么多年过去,摩尔还记得那场改变命运的讲座吗?还记得那个启发自己的演讲者吗?

作为启发了摩尔定律的人、一个不亚于摩尔的天才,恩格尔巴特自己却命运多舛。1963年他建立了ARC(增智研究中心),1965年提出了摩尔定律的前身“缩放原理”,1967年发明鼠标,1968年演示了人类有史以来第一次在线视频会议,1969年建立了现代互联网的前身阿帕网(ARPANet)。如果历史真能按照恩哥的节奏发展下去,人类将提前至少二十年进入互联网时代

然而70年代初,在终极目标近在眼前时,ARC内部有人对前景产生了质疑。1975年, ARPA停止了对ARC的资助,没有钱,小伙伴们纷纷作鸟兽散,最后只剩恩哥一个光杆司令,带领一堆机器孤军奋战。

3983金沙官网 8

恩格尔巴特和他发明的鼠标

2005年,80岁的恩格尔巴特对记者说,回首当年,“没人愿意为自己的研究投资,甚至没有人愿意跟自己对话”。

然而今天我们发现,我们所做的只是在不断接近恩格尔巴特多年前的设想而已:办公自动化、个人电脑、超文本协议、开源代码协作……“现在我们终于明白了他想要做什么了。”

恩格尔巴特最大的悲剧在于,他比时代超前了足足20多年。1968年,当他在旧金山演示计算机网络、视频会议、交互式图形界面和鼠标时,微软还没成立,乔布斯还在上中学。

1979年冬天,当24岁的乔布斯宿命般地走进施乐PARC研究中心,看到的正是恩格尔巴特的遗产:可视化图形界面、面向对象的编程(Smalltalk)、局域网(Ethernet)。就连PARC团队自身,也来源于ARC解散后的原班人马。当时,乔布斯只是被图形界面和鼠标吸引住了,其它两样重要成果没太在意。而仅仅是图形界面,就让他酝酿出了一场计算机革命。

3983金沙官网 9

3983金沙官网摩尔定律已死,半导体行当观望。PARC:曾经的极客乐园,如今已成为互联网圣地

直到1983年, 苹果的新机型Lisa发布时,问世已20年的鼠标终于获得大规模的商业成功。1987年,苹果买下鼠标专利,付给恩格尔巴特专利转让费——1万美元。你没看错,这就是“鼠标之父”从这项发明中获得的唯一收入。

3983金沙官网 10

恩格尔巴特:鼠标之父,人机交互之父,科技产品发布会之父,摩尔和乔布斯背后的男人,沃兹尼亚克最崇拜的偶像——其实他和本期硬报纸的主题,并没有直接关系。

然而,这位启发了一个时代的天才,值得被如此致敬。


摩尔定律的终结

  麻省理工学院(MIT)电气工程师马克斯·苏拉克说,此外,如今芯片的运行速度已经停滞不前,且每次推出的新一代芯片能效只能提高30%。

第一批入围该项目资助的有来自于全美国的43个团队,其中来自麻省理工学院Max Shulaker团队独得6100万美元位列第一,而这一数字也远高于同为研究3DSoC的佐治亚理工学院团队的310万美元。目前该团队主要的研究内容是将石墨烯材料用于制作碳纳米晶体管,并构造出3D芯片来。据称该团队的研究内容将有望以更低的成本实现50倍计算性能的提升。

没有,但是速度太慢了,硅芯片需要帮助。英国半导体应用公司Catapult的首席执行官Stephen Doran说:“在越来越多的需要提高速度、减少延迟和光检测的应用中,硅正在达到其性能的极限。”

即使Intel自己

3983金沙官网 11

摩尔定律为Intel指明了一条道路:把芯片做小。晶体管越小,芯片集成度越高,不仅性能越强,而且成本和功耗不增反降。越小、越快、越便宜,卖的用户越多,赚钱越多。

要想延续摩尔定律不断把芯片做小,就必须在制造工艺上下大功夫。所以,Intel不仅是地球上最强大的芯片设计公司,还拥有当今最先进的芯片工厂。设计与工艺相得益彰,成就了Intel在PC时代的霸主地位。

在2014年Broadwell架构之前,Intel一直严格遵循Tick-Tock战略周期,在奇数年的“Tick”阶段代表着CPU芯片制程的飞跃;偶数年的“Tock”代表着处理器的架构升级。

3983金沙官网 12

14nm之前,Intel的Tick-Tock战略

然而,这一战略正在由于工艺难度的逐年提升而放缓。Intel 2017年才会发布10nm制程芯片,取代自2015年延续至今的14nm芯片。2014~2016年期间,14nm制程已经沿用了三代CPU。在2017年到2019年,10nm仍将沿用三代。自从14nm开始,Tick-Tock的周期已经从两年延长到了两年半

2017年发布新制程10nm的计划,意味着持续近10年、如时钟滴答般稳定的Tick-Tock节奏首次被打破。进入到14nm之后,Intel不得不把Tick-Tock变成Tick-Tock-Tock,而这第二个“Tock”也并非巨大的微架构更新。

• 2014 —— 14nm Broadwell (Tick)

• 2015 —— 14nm Sky Lake (Tock)

• 2016 —— 14nm Kaby Lake (Tock)

• 2017 —— 10nm Cannon Lake (Tick)

• 2018 —— 10nm Ice Lake (Tock)

• 2019 —— 10nm Tiger Lake (Tock)

• 2020 —— 7 nm 待研发 (Tick)

• 2021 —— 7 nm 待研发 (Tock)

• 2022 —— 5 nm 待研发 (Tick)

Intel官方表示,如果在5nm节点上硅仍然是一个可行的微处理器材料,那么Intel将于2020年开始研发5nm制程的芯片,最早将于2022年才会上市。

当Intel研发周期放缓时,台积电正跃跃欲试。按照台积电此前公开的战略规划,在2016年末就能达到7nm技术节点,2020年达到5nm的技术节点,台积电扬眉吐气的时候不远了——这回终于领先老对手好几年!

3983金沙官网 13

在10nm制程的拐点上,台积电终于超越了Intel

然而无论是Intel还是台积电都不确定,5nm工艺的下一步是什么。5nm已经逼近了摩尔定律的物理极限,再小几乎不可能。

其实在半个世纪中,摩尔定律曾屡次遭遇瓶颈。例如上世纪90年代,奔腾四制程突破100纳米时,晶体管小型化导致了糟糕的性能。Intel与IBM不得不重新寻找提高晶体管性能的材料。直到2000年,在凝聚态物理学家们的帮助下引入应变硅技术(晶格拉伸时硅导电能力大幅提高),摩尔定律才又续命十几载。

但是这一次,狼恐怕是真的来了。尽管目前Intel、三星、台积电等半导体巨头都公认,在5nm的技术节点之上,不会遇到根本性的困难,然而当集成电路继续缩小到极限,进入量子力学主导的微观世界中,仅由数个分子构成的晶体管将无法正常工作。尽管工程师用尽各种设计巧思,渡过一次又一次危机,但是大家都心知肚明,撞上最后那堵墙只是时间问题。

而时间,真的已经不多了。


3983金沙官网 1450年来芯片晶体管和工作频率的指数式增长

  诺基亚贝尔实验室的无线通讯专家格雷戈瑞·赖特指出,制造商正在接近硅的物理极限。电子被局限于仅100个原子宽的硅片内,迫使科学家需要采用复杂的设计来阻止电子泄漏而导致错误,“我们目前已经没有多少改进空间,需要另辟蹊径了”。

3983金沙官网 15

然而,他认为现在谈论硅的替代物还为时过早。他补充称:“这意味着硅将被完全取代,这在短期内不太可能发生,很可能永远不会发生。”

也束手无策?

3983金沙官网 16

严格意义上说,就算100年后的计算机性能仍然能够指数式增长,摩尔定律届时也早已退休。因为摩尔定律是用缩小晶体管的思路,在芯片上集成更高密度的元器件,从而做到在性能提升的同时成本降低。而基础物理学告诉我们,在这个由原子组成的世界里,“缩小”是有极限的

5nm是当前技术条件下的制程极限,一个晶体管只有10个原子大小。就算继续变小,晶体管也不可能比1个原子还小,因为并不存在半个原子。预计到2020年之后,要想继续提高性能,靠“缩小”已经无能为力,只得另觅他途。目前,距离我们榨干摩尔定律的潜能,只有不到10年的时间了

短期方案:新半导体材料

目前,芯片中的晶体管是用硅元素制成的,如果用砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等电子迁移率更高的元素代替,理论上就能造出速度(频率)更快的晶体管。

采用新材料做CPU,有望使芯片性能提高4~8倍,不过很快也会遭遇与硅晶体管相同的制程极限。

中期方案:碳纳米管(CNT)晶体管

先由碳原子以六角形结构铺成平面石墨烯(Graphene),再将石墨烯卷成管状,就是所谓碳纳米管。碳纳米管也是半导体,电学特性与硅晶体管类似,因而成为次世代材料的宠儿。

3983金沙官网 17

碳纳米管的3D结构

2015年,斯坦福大学用3D晶体管技术设计的碳纳米管芯片,开关速度比目前最好的芯片快上1000倍。但是,晶体管快千倍,并不代表做成处理器运行速度也能快千倍。事实上,在一个处理器几十亿的晶体管中,传输速度的优化是一个系统工程,不起眼的电容、电感带来的信号延迟可能远远大于1000倍门开关速度省下来的那几皮秒。除非其他配套的技术同时突破,否则处理器性能最多只有数倍的提升。

3983金沙官网 18

斯坦福3D碳纳米管芯片

最令人蛋疼的是,碳纳米管量产极为困难。目前已量产化的单层碳纳米管粉末,售价400多元人民币/克,而这不过是最基础的碳纳米管原料,只能掺到电池里增加导电性用(被炒作为“石墨烯电池”)。至于10nm以下碳纳米管制成的晶体管,至今仍只有顶尖实验室才能制备。

终极方案:量子计算机

和传统计算机的基本信息单位“比特”不同,量子计算机使用的量子比特(QuBit)是在两个逻辑态0和1的相干叠加态,可以同时存储0和1。经典存储器只能存储2^N个数据中的某一个值,而量子存储器可以同时存储2^N个。由250个原子构成的250量子比特存储器,容量高达2^250比特,比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。利用量子相干态可以进行大规模并行计算,理论上可以超过现役超级计算机百亿亿倍。

3983金沙官网 19

既不是0也不是1,量子比特=0与1的叠加态

十年前,在量子计算在理论上证明可行的早期阶段,大家感到未来一片光明,人人都感染上了“信量子,得永生”的激情。我还记得本科上量子力学的第一天,教授两眼放光地说:将来有了量子计算机,我们现在这些电脑都要扔到厕所里去!当时我就震惊了:厕所是您扔垃圾的地方吗?计算机系的版本则是:教算法的导师说,等到有了量子计算机,我就下岗了,因为那时全世界只剩下一种算法——穷举

然而现实比预期总是残酷百倍,量子计算机的技术实现困难重重。量子比特数量决定了量子计算机的运算能力,可是从量子计算得到证明的1994年至2014年,最多也只做到14个量子比特。而且每增加一个量子比特,其工程难度便呈指数级增长。

2007年,加拿大D-Wave公司横空出世,推出了128比特的商用量子计算机,在2012年的二代产品D-Wave Two号称拥有512个量子比特,一度让人浮想联翩。然而实际上,D-Wave并非真正的量子计算机。它的确运用了“量子隧穿”的量子效应,但没有用到真正的量子叠加性、相干性进行计算。

3983金沙官网 20

                                                                 D—Wave量子计算机

而且,D-Wave只是一个专用计算机,只能计算“量子退火”的优化问题。其它超级计算机也能进行这种计算,速度甚至比D-wave Two还要快。D-Wave至今只卖出了两台量子计算机,每台售价1000万美元;一台卖给了Google,一台卖给洛克希德•马丁。

虽然短期内不一定指望得上,但是量子计算机无疑已成决胜未来30~50年的兵家必争之地。2013年,谷歌与NASN加州大学圣巴巴拉分校联合成立量子人工智能实验室;2014年,IBM宣布未来5年投资30亿美元用于量子计算研究;2015年,阿里云与中科院建立联合实验室,计划用持续15年的资金支持,在10年内做出50个量子比特的通用量子计算机,速度相当于超算“天河二号”的8~10倍


然而到00年代,很明显单纯依靠缩小尺寸的做法正走到尾声。不过,通过其他一些技术,芯片的发展仍然符合摩尔定律的预测。在90纳米时代,应变硅技术问世。在45纳米时代,一种能提高晶体管电容的新材料推出。在22纳米时代,三栅极晶体管使芯片性能变得更强大。

  密歇根大学安娜堡分校计算机科学家瓦莱里娅·贝尔塔科表示,只有少数几家公司能负担得起耗资高达数十亿美元的芯片制造工厂,这会扼杀这一曾经由小型创业公司主导的领域的创新。

(该团队在3DSoC分项中获得了绝大多数赞助)

Imagination Technologies营销传播副总裁David Harold表示:“至少在2025年之前,摩尔定律式的业绩提升仍有潜力。直到20世纪40年代,硅仍将主导芯片市场。”

摩尔时代的终结

我们都知道,就算几年后摩尔定律退休,科技发展也不会就此原地踏步。不过究竟哪种方案能取代摩尔定律,成就下一个计算机时代的神话,目前还没人能说得准。在此之前,半导体科技可能会经历一段青黄不接的大规模转型期。说到底,还是因为我们之前太过于依赖摩尔了。

大多数人可能没有意识到,如果没有当年的摩尔定律,现在这个世界很可能会是完全不同的面貌。上世纪70年代,人们最期待的未来黑科技是原子能和太空技术。万万没想到,摩尔定律强势插入,驱动了半导体、计算机、互联网持续半个世纪的崛起;正是这样的时代,造就了比尔·盖茨、乔布斯、扎克伯格。人类没能打太空飞的去移民火星,却攀上了另一支信息科技树

摩尔定律开启了一个奇迹般的时代,而它的结束,将迎来一个更不可思议的未来。离开了熟悉的摩尔,没法依赖工艺进步了,才会逼得我们掉过头去死磕碳纳米管、量子计算这样的硬骨头,说不定真正改变世界的大发现就在后头呢。

这是摩尔时代的终结。

也是未来无限可能的开端。

**「硬报纸」原创文章,转载合作请联系作者**
**

3983金沙官网 21

矽搜网络科技旗下品牌

硬报纸:智能硬件深度资讯

不过,这些新技术也已走到末路。用于芯片制造的光刻技术正面临压力。目前,14纳米芯片在制造时使用的是193纳米波长光。光的波长较长导致制造工艺更复杂,成本更高。波长13.5纳米的远紫外光被认为是未来的希望,但适用于芯片制造的远紫外光技术目前仍需要攻克工程难题。

  福斯说,一些大公司开始为特定任务设计专用芯片,这极大地降低了他们为可以共享的基础研究付费的动力。福斯及其同事的一项研究指出,1996年,有80家公司加入了位于北卡罗来纳州的半导体研究社团,到2013年,这一数字减少为不到一半。

大投资、新材料加上号称数量级的性能提升为这支石墨烯3D芯片团队赚足了眼球。国内也有不少公众号转发了这一消息,有的更将其称之为"美国电子复兴计划中的绝对核心",并称该类芯片将在人工智能领域大显身手。那么我们不禁要问,石墨烯3D芯片是什么?真的有这样的威力吗?

计算机的第二个时代即将到来

即使远紫外光技术得到应用,目前也不清楚,芯片集成度能有多大的提高。如果缩小至2纳米,那么单个晶体管将只有10个原子大小,而如此小的晶体管可靠性很可能存在问题。即使这些问题得到解决,功耗也将继续造成困扰。随着晶体管的连接越来越紧密,芯片功耗将越来越大。

  新材料、新架构受追捧

此次的石墨烯3D芯片并非完全由石墨烯构成

仔细研究硅晶体管问题非常重要;作为一个概念,它并没有“死亡”,但是它已经超过了它的顶峰。Rambus内存和接口部门首席科学家Craig Hampel表示:“摩尔定律专门指的是由半导体制造的集成电路的性能,而且只记录了过去50多年的计算。”

应变硅和三栅极晶体管等新技术历经了10多年的研究才得到商用。远紫外光技术被探讨的时间更长。而成本因素也需要考虑。相应于摩尔定律,我们还有一个洛克定律。根据后一定律,芯片制造工厂的成本每4年就会翻番。新技术的发展可能将带来更高的芯片集成度,但制造这种芯片的工厂将有着高昂的造价。

  DARPA正努力填补这一空白,为包括苏拉克在内的研究人员提供资助。苏拉克正在使用由碳纳米管制成的晶体管制造3D芯片,相比硅晶体管,碳纳米管晶体管能够更快更有效地开关。

负责此次3D芯片项目的是麻省理工学院的明星教授Max Shulaker,Max教授早在斯坦福大学就读博士时就有惊人的理论成果。他所在的团队开发出了世界上第一台基于碳纳米晶体管技术的计算机,并将成果公布在著名的《自然》杂志上。

3983金沙官网 22

近期,我们已经看到这些因素给芯片公司造成了现实问题。英特尔原计划于2016年在Cannonlake处理器中改用10纳米工艺,这小于当前Skylake芯片采用的14纳米工艺。去年7月,英特尔调整了计划。根据新计划,英特尔将推出另一代处理器Kaby Lake,并沿用此前的14纳米工艺。Cannonlake和10纳米工艺仍在计划之中,但被推迟至2017年下半年发布。

  目前已有多家公司使用硅片制作3D芯片,以便将逻辑和存储功能更紧密地结合在一起,从而加快处理速度。但由于在芯片层之间传输信息的线路过于庞大而且分散,导致这种芯片的速度变慢。而且,由于二维硅芯层必须在超过1000摄氏度的高温下单独制造,因此,无法在现有的集成制造计划中,在不熔化第三层的基础上构建3D芯片。

3983金沙官网 23

“人类对计算需求的增长趋势可追溯到算盘、机械计算器和真空管,并可能远远超出半导体,包括超导体和量子力学。”

与此同时,新增的晶体管变得越来越难用。80至90年代,新增晶体管带来的价值显而易见。奔腾处理器的速度远高于486处理器,而奔腾2代又远好于奔腾1代。只要处理器升级,计算机性能就会有明显的提升。然而在进入00年代之后,这样的性能提升逐渐变得困难。受发热因素影响,时钟频率无法继续提高,而单个处理器核心的性能只能实现增量式增长。因此,我们看到处理器正集成更多核心。从理论上来说,这提升了处理器的整体性能,但这种性能提升很难被软件所利用。

  苏拉克解释说,碳纳米管晶体管几乎可在室温下制造,为密集的集成3D芯片提供了更好的途径。尽管其团队的3D芯片将比最先进的硅设备大10倍,但这种芯片的速度和能效预计将提高50倍,对于耗电量巨大的数据中心来说,这不啻为一大福音。

(Max Shulaker教授像)

超越硅是一个问题,因为未来的计算设备将需要更加强大和灵活。Harold说:“日益增加的计算问题是,未来的系统将需要学习和适应新的信息。它们必须‘像大脑一样’。再加上芯片制造技术的转型,它们将为计算创造革命性的第二个时代。”

半导体行业的新路线图

  此外,DARPA项目还支持对灵活芯片架构的研究。

2017年Max教授再次于《自然》杂志发文提出单芯片上三维集成的计算和存储模型,也是在这篇文章中产生了石墨烯制造的碳纳米管3D芯片这一概念。

什么是冷计算?

这一系列困难表明,由摩尔定律驱动的半导体行业发展路线图即将终结。但摩尔定律日薄西山并不意味着半导体行业进步的终结。

  亚利桑那州立大学的无线通讯专家丹尼尔·布利斯及其同事希望,利用可以即时重新配置以执行特定任务的芯片来改善无线通讯的效果。布利斯正致力于研制利用软件而非硬件来混合和过滤信号的无线电芯片,这一进步将使更多设备能够无干扰地发送和接收信号。他说,这可以改善移动和卫星通信,并加快让无数设备彼此之间通信的物联网的增长。

由于Max教授2013年的辉煌过往,几乎国内所有的报道都把此处的3DSoC当作是完全的石墨烯芯片,而且把Max 2017年发表的论文视为其2013年的那篇论文的发展和延续,而忽略了二者存在的明显区别。

一些研究人员正在研究用更少的能量获得高性能计算机的新方法。“数据中心或超级计算机的冷运行可以带来显著的性能、功耗和成本优势。”Hampel说。

爱荷华州大学的计算机科学家丹尼尔-里德打了个比方:“想一想飞机行业发生了什么,一架波音787并不比上世纪50年代的707快多少,但是它们仍然是非常不同的两种飞机。”比如全电子控制和碳纤维机身。“创新绝对会继续下去,但会更细致和复杂。”

  DARPA提供的另一项资助将授予斯坦福大学的研究人员,用于改进芯片制造中使用的计算机工具。这些工具通过被称为机器学习的人工智能来验证新颖的芯片设计。它们将有助于检测由数十亿个晶体管组成的芯片中的设计缺陷,这一过程以前大部分都是手动完成,新工具有助于加快这一任务的自动化程度,提升公司测试和制造新芯片架构的能力。

2013年的那个碳纳米晶体计算机是完全意义上的纯碳纳米技术计算机,其主要内容是探索用新材料取代硅做新型电子设备的材料,而最近发表于自然杂志的石墨烯3D芯片则是试图用石墨烯材料参与到传统硅芯片的构建中来,两者的思路是不尽相同的。

微软的Natick项目就是一个例子,作为该项目的一部分,一个巨大的数据中心沉入了苏格兰奥克尼群岛海岸,但这只是一小步。进一步降低温度意味着漏电流更少,晶体管开关的阈值电压更低。

2014年,国际半导体技术路线图组织决定,下一份路线图将不再依照摩尔定律。《自然》杂志刊文称,将于下月发布的下一份路线图将采用完全不同的方法。

  斯坦福大学电气和计算机工程师、3D碳纳米管和电路验证项目研究员瑟巴哈斯希·密特拉说,即便只有小部分新项目取得成功,DARPA的最新资助计划“也将彻底改变我们设计电子产品的方式”。他表示,这也将促使工程师们超越已在芯片领域盘踞数十年的硅,“现在看来很明显,硅会沿着已知路径前进,但我们清楚地知道,未来不是这个样子”。

3983金沙官网 24

3983金沙官网 25

新的路线图不再专注于芯片内部技术,而新方法被称作“比摩尔更多”。例如,智能手机和物联网的发展意味着,多样化的传感器和低功耗处理器的重要性将大幅提升。用于这些设备的高集成度芯片不仅需要逻辑处理和缓存模块,还需要内存和电源管理模块,用于GPS、移动网络和WiFi网络的模拟器件,甚至陀螺仪和加速计等MEMS器件。

(论文配图可以明显看出不是纯石墨烯芯片)

Hampel说:“它减少了延伸摩尔定律的一些挑战。”他补充说,对于这些类型的系统来说,自然的操作温度是77K的液氮。“大气中含有丰富的氮,以液态形式收集相对便宜,而且是一种有效的冷却介质。我们希望,在内存性能和功耗方面,或许能再延长4~10年的时间。”

以往,这些不同类型的器件需要用到不同的制造工艺,以满足不同需求。而新路线图将提出,如何将这些器件集成在一起。整合不同制造工艺、处理不同原材料需要新的处理和支持技术。如果芯片厂商希望为这些新市场开发芯片,那么解决这些问题比提高芯片集成度更重要。

该教授2017年发表在《自然》杂志论文中报告的芯片,拥着四个集成电路层,并拥有5个子系统。其中负责实验样品蒸汽数据采集、传输和处理的部分是碳纳米晶体管构建的,而电阻随机存储单元(RRAM)和接口电路是由硅晶体管构建的。毫无疑问,这是一个组合型的气味探测芯片,而不仅仅是碳纳米晶体管构成的。

什么是化合物半导体?

此外,新的路线图还将关注新技术,而不仅是当前的硅CMOS工艺。英特尔已宣布,在达到7纳米工艺之后,将不再使用硅材料。锑化铟和铟镓砷化合物都有着不错的前景。与硅相比,这些材料能带来更快的开关速度,而功耗也较低。碳材料,无论是碳纳米管还是石墨烯,也在继续被业内研究。

石墨烯芯片还存在很多问题

下一代半导体由两种或两种以上的元素组成,这些元素的特性使它们比硅更快、效率更高。这是“机会”,它们已经在使用,并将有助于创建5G和6G手机。

在许多备选材料中,二维材料“石墨烯”被看好。这种自旋电子材料通过翻转电子自旋来计算,而不是通过移动电子。这种“毫伏特”量级的电子开关比硅材料开关的速度更快,而且发热量更小。不幸的是这种电子材料还未走出实验室。

之所以人们会想用石墨烯以取代现有的硅半导体作为芯片的材料,用Max教授的2013年的话说就是:"与传统晶体管相比,碳纳米管体积更小,传导性也更强,并且能够支持快速开关,因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料"。

Doran说:“化合物半导体结合了元素周期表中的两种或多种元素,例如镓和氮,形成氮化镓。”他解释说,这些材料在速度、延迟、光检测和发射等方面都优于硅,这将有助于实现5G和自动驾驶汽车等应用。

3983金沙官网 26石墨烯的扫描探针显微镜图像

换言之就是说,石墨烯具有硅所不具备的更优良的力学、化学和电学性能。不过这些优势真的是电子工业所需要的吗?近几年来,作为计算机核心的CPU的单核性能不再像过去一样大幅提高的主要原因真的是因为硅半导体材料的力学、化学和电学性能不行吗?

3983金沙官网 27

尽管优先级下降,但缩小尺寸提高集成度的做法并未被彻底抛弃。在三栅极晶体管的基础上,到2020年左右,“栅极全包围”晶体管和纳米线将成为现实。而到20年代中期,我们可能将看到一体化3D芯片的出现,即在一整块硅片上制作多层器件。

事实显然不是这样,现今CPU综合性能上不去有复杂度太大的原因,有主频难以继续提高的原因,也有芯片功耗障碍的原因和带宽障碍的原因。这些原因都不是因为硅半导体本身的材料问题造成的。

尽管它们可能与普通硅芯片一起使用,但化合物半导体将进入5G和6G手机,本质上使它们足够快、足够小,同时还具有良好的电池寿命。

斯坦福大学的电气工程师Subhasish Mitra和他的同事已经开发出用碳纳米管将3D存储单元层连接起来的办法,这些碳纳米管承载着层间的电流。 该研究小组认为,这样的体系结构可以将能耗降低到小于标准芯片的千分之一。

以主频的提高为例,130nm工艺之后,芯片电路延迟随晶体管缩小的趋势越来越弱。伴随而来的就是主频的提升越来越难,目前制约主频的主要因素已经成为连线时延而非晶体管的翻转速度。

Doran说:“化合物半导体的出现改变了游戏规则,它有潜力带来变革,就像互联网变革通讯领域一样。”这是因为,化合物半导体的速度可能比硅快100倍,因此可以为物联网增长带来的器件激增提供动力。

3983金沙官网 28IBM的3D存储芯片微观结构

3983金沙官网 29

什么是量子计算?

此外,另一种提高计算性能的方法是使用像“量子计算”这样的技术,该技术有望加速某些特定问题的计算速度,还有一种“神经计算”技术旨在是模拟大脑的神经元处理单元。 但是,这些替代性的技术可能需要很久才能走出实验室。 而许多研究者认为,量子计算机将为小众应用提供优势,而不是用来取代处理日常任务的数字计算。去年底,谷歌量子人工智能实验室已证明:他们的D-Wave量子计算机处理某些特定问题,比普通计算机快一亿倍。

(随之制程的减小,门延迟降低而连线延迟上升)

当你可以拥有量子世界的叠加和纠缠现象时,谁还需要经典计算机系统的开关状态呢?IBM、谷歌、英特尔和其他公司都在竞相使用量子比特(又称“qubits”)来制造具有强大处理能力的量子计算机,其处理能力远远超过硅晶体管。

3983金沙官网 30D-Wave量子计算机

可见此时引入新的材料并不能解决电子工业面临的问题,何况以石墨烯构建芯片还面临着与旧生态不兼容、加工困难的问题。事实上,半导体电子管诞生初期就有过是不是应该用功耗更低的锗来做半导体的基材的讨论。最后因为成本以及硅电路过去的积累最终使产业界放弃了这一打算。

问题是,在实现量子计算的潜力之前,量子物理学家和计算机架构师要实现许多突破,有一个简单的测试,量子计算界的一些人认为,在量子计算机问世之前,需要满足他们的要求:“量子至上”。

通过新材料、不同的量子效应,甚至超导等不可思议的新技术,半导体行业或许能继续像以往一样提高芯片集成度。如果集成度能获得明显提升,那么市场对速度更快的处理器的需求可能将再次爆发。

今天引入的新材料,如果不能解决上面这些关键问题,面对的壁垒比当年的锗半导体材料只大不小,所以Max最近的研究开始向石墨烯辅助硅转变。

Hampel表示:“这只是意味着,在摩尔定律的道路上,量子机器比传统半导体处理器更擅长完成特定的任务。”到目前为止,实现这一目标仍然遥不可及。

但目前看来,摩尔定律被打破将成为一种新常态。摩尔定律对半导体行业的指导意义正逐渐消失。

Max教授在他近期的论文中宣称:"该芯片的RRAM和碳纳米晶体管在200度下制造,而传统的工艺需要1000度"。低温有助于大大增加集成电路层之间的纵向联系,按该论文的说法,石墨烯3D芯片的纵向联系比传统方式增加了1000倍。而这种联系有助于解决大型集成电路元件中带宽障碍的问题。

英特尔在做什么?

这种温度上的差异是由石墨烯材料与硅半导体加工方式不同造成的,构建芯片的晶体管并非是蚀刻加工的,而是"生长"出来的。石墨烯3D芯片制造靠的是化学而非物理作用。

由于英特尔是制造硅晶体管的先驱,因此英特尔在硅基量子计算研究方面投入巨资也就不足为奇了。

3983金沙官网 31

英特尔销售与营销集团副总裁兼英国区总经理Adrian Criddle表示:“除了投资扩大需要在极低温度下存储的超导量子比特外,英特尔还在研究一种替代方法。替代架构基于‘自旋量子比特’,在硅片中运行。”

这种方式在一定程度上有其优越的一面,另一方面,如何大规模的、均匀的、同样大小的生长碳纳米晶体管也是令人头疼的问题。

自旋量子比特使用微波脉冲来控制硅基器件上单个电子的自旋,英特尔最近在其最新的“世界最小的量子芯片”上使用了自旋量子比特。至关重要的是,它使用硅和现有的商业制造方法。

2013年全球首台碳纳米晶体管计算机诞生时Max Shulaker教授说:"这是人类利用碳纳米管生产的最复杂的电子设备。"而这台计算机仅仅只有178个晶体管,同时只能运行支持计数和排列等简单功能的操作系统。这与当时的硅半导体计算机存在数千万倍的差距。

3983金沙官网 32

Max教授在另一篇论文中也承认"碳纳米管(加工中)容易改变,这会降低电路产量, 降低电路的抗干扰能力, 并严重降低其能源和速度效益。为了克服这一突出的挑战, 需要探索和优化碳纳米管处理方案和 CNFET 电路设计。"

Criddle解释说:“自旋量子比特可以克服超导方法带来的一些挑战,因为它们的物理尺寸更小,更容易微缩,而且可以在更高的温度下工作。更重要的是,自旋量子比特处理器的设计类似于传统的硅晶体管技术。”

3983金沙官网 33

然而,英特尔的自旋量子比特系统仍然只能接近绝对零度;冷计算将与量子计算机的发展密切相关。与此同时,IBM有一个50比特的处理器Q,而谷歌量子AI实验室有72比特的Bristlecone处理器。

说取代传统硅芯片为时尚早

石墨烯和碳纳米管怎么样?

2017年这次Max教授的研究成果之所以受人瞩目,一方面是因为芯片中集成的碳纳米晶体管数极大地增加到200多万个,另一方面是因为"电子复兴计划"宣称该团队的成果有望以更低的成本实现50倍的性能提升。

这些所谓的神奇材料有朝一日可能会取代硅。Doran说:“它们现有的电气、机械和热学特性远远超出了硅基器件所能达到的水平。”然而他警告说,可能需要很多年才能准备好迎接黄金时代。

笔者认为,现在说石墨烯3D芯片取代传统硅芯片还有许多困难,该团队的宣传无疑存在相当的水分。

他说:“硅基器件经过了几十年的改进,并随着相关制造技术的发展而发展。石墨烯和碳纳米管仍处于这一旅程的起点,如果它们要在未来取代硅,实现这一目标所需的制造工具仍然需要开发。”

3983金沙官网 34

3983金沙官网 35

之所以这样说是因为该团队并未解决生产石墨烯芯片带来的良品率问题。所谓200万个碳纳米晶体管由计算、输入输出和采集系统组成,并构成了100万个气味传感器。也就是说,这些晶体管几乎全部用于制作气味传感器了,而气味传感器的容错性是非常强的。100万个传感器中即使损坏几万个也不会对芯片产生毁灭性的影响。

原子时代

这样的芯片能否证明碳纳米晶体管生产的稳定性和可靠性是值得怀疑的。

无论其他材料的前景如何,我们现在正处于原子时代。Harold说:“每个人都在考虑原子。我们的进展现在已经到了单个原子计数的阶段,甚至存储正在寻找在原子水平上工作的方法——IBM已经展示了在单个原子上存储数据的可能途径。”今天,创建1或0,即用来存储数据的二进制数字,需要10万个原子。

而该团队确实在宣传上也非常喜欢浮夸的风格,在论文中动辄宣称比现有的方法提升若干倍。在一篇讨论碳纳米晶体管设计中的文章中甚至宣称比现有的方案有了至少100倍的提升。因此所谓50倍的性能提高也是非常值得怀疑的。返回搜狐,查看更多

然而,这里有一个问题。Harold补充说:“作为存储或传输信息的手段,原子本质上不太稳定,这意味着需要更多的逻辑来纠正错误。”因此,未来的计算机系统很可能是各种技术的叠加,每一种技术都是为了弥补另一种技术的缺点。

责任编辑:

因此,没有哪个答案可以将硅的寿命延长到下一个计算时代。化合物半导体、量子计算和冷计算都有可能在研发中发挥重要作用。计算机的未来很可能会出现机器的层级结构,但到目前为止,没有人知道明天的计算机会是什么样子。

Hampel表示:“虽然摩尔定律将会终结,但指数计算能力的长期和持久趋势很可能不会终结。”

本文由3983金沙官网发布,转载请注明来源

关键词: