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2021年半导体技术有哪些新看点

2021-01-07
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多年来,行业趋势一直聚焦于移动领域,而半导体技术在很大程度上为这些趋势所服务。在过去几年里,对云计算的投资和开发吸引了很多关注,但其中很多都是针对移动性的。
 
到了2020年,许多人会很高兴地忘记这一年。但信息技术行业不是这样。随着工作转移到家里,更多的数据转移到云端,造成了更多的远程访问。但频繁的疫情和随后的封锁令降低了流动性的效用。
 
现在来看,2021年的疫情趋势对技术趋势尚不明朗,即便如此,我们认为还是有几个趋势值得一提。

骁龙888:很快就会钻进你的电话里

 

高通全新骁龙888是台积电5纳米又一大杰作,最先进的大规模生产工艺技术——苹果A14和M1已经证明了它的强悍。它恰好也是第二个移动应用程序处理器,但Snapdragon 888在几个关键功能上超过了竞争对手。
 


骁龙888三个主要领域的改进是相机能力,游戏性能和人工智能。正如Jim McGregor在Snapdragon科技峰会的报道中指出的,Snapdragon 888“将具有X60射频调制解调器(调制解调器+射频解决方案);增强的第六代AI引擎,全新的Hexagon处理器,全新的传感枢纽,以及26个top的整体性能;以及新的Adreno GPU,比上一代性能更好。”
 
 
Snapdragon 888将部署三个图像传感器处理器,每秒可以达到27亿像素。对于普通人来说,888允许三个单独的图像传感器,每个获得4K静态或10位HDR视频同时。确实不赖。
 
从片上功能的角度来看,自Snapdragon 888包含X60 5G调制解调器以来,首次在SoC中包含一个完整的5G调制解调器。而苹果A14则没有这个功能。相反,iPhone 12系列使用了单独封装的高通X55调制解调器和SDR865收发器等高通射频组件。
 
其它细节方面,骁龙888还首次支持了蓝牙5.2、Wi-Fi6E(6GHz)、更精细化的OLED像素控制等。
 
 
尽管联发科和三星很快把旗号交给了Exynos 1080,但高通似乎仍在移动领域保持领先地位,这在很大程度上得益于其在射频技术方面的实力。最近有报道称,联发科在移动芯片组方面处于全球领先地位,但高通在5G方面仍位居第一。到2021年初,联发科、高通和三星将在5纳米旗舰应用处理器上追赶苹果,届时更新更强大的产品会应运而生。
 
抛开极端的性能不谈,每台最先进的移动应用处理器的第一个用例都将通过照片来显示,而不是通过过时的家庭WiFi网络上传。不可否认,骁龙888代表了SoC发展的顶峰。
 
高通指出了几个关键的卖点。“以我们完全重新设计的第6代高通AI引擎为特色,Snapdragon 888 5G提供了26个最佳性能,每瓦性能改进了3倍,共享AI内存大了16倍。”
 
最新的骁龙是一款八核产品:1个高性能Cortex-X1核、3个Cortex-A78核、4个低功耗Cortex-A55核、1个Adreno 660、3个ISP以及第六代AI引擎,这些都预示着SoC市场的高速发展。这是很多尖端的设计,但还有一些东西要提出来。骁龙888是第一个包括Cortex-X1核心的芯片。值得一提的是,它的“共享人工智能内存大了16倍”,因为与苹果A14的专属设计相比,我们可能会看到更多用于SRAM缓存的芯片空间。
 
一些手机品牌已经宣布要配置骁龙888。骁龙888将是2021年最热门的SoC之一,但它可能不是唯一的。在2020年的大事件中,苹果开始在其个人电脑生产线上部署自己基于arm的SoC设计。有迹象表明,微软也将步其后尘。

Chiplets


去年的一个热门话题是从系统片上设计转向使用chiplets的系统封装方法。在“物理距离”时代,这一趋势在“物理距离”时代得到了充分体现,当时的技术通过分离单片硅集成电路的IP块,并将其分成多个芯片,组装到封装的基片上。
 
将IP从物理上分离成一块块硅,而不是将它们单一地“缝合”在一个芯片上,这种想法产生了许多名称,从“chiplet”到一系列其他标签,如经过验证的真正SiP或更时髦的异构集成技术(HIT)。各种各样的名字都吸引了很多人的注意。这个新趋势下也同样推动了一个新的IP生态系统,允许传统SoC领域之外的尖端技术。
 
由于单片SoC设计不适合国防部(DoD)或其他低容量应用程序,这就诞生了DARPA计划,并为通用异构集成和知识产权(IP)重用策略(芯片)计划提供资金,旨在建立IP重用的新范式。
 
从结构和材料的角度来看,我们已经有很多可行的并得到验证的选择。从用于高性能计算和GPU的高带宽内存的硅中介层2.5D设计,到如TSMC的集成扇出(InFO)晶片级封装,目前有多种选项可用来解决广泛的产品应用。
 
 
然而,要为芯片创造一个新的生态系统,还需要更多的工作,尤其是在标准化方面。这项工作不太可能在2021年完成,但预计将会取得重大进展。
 
为了给非soc参与者创造一个实用的生态系统,充分利用芯片方法,有必要对芯片间的通信进行一些标准化。这需要一段时间来发展,但未来一年可能会让我们对可能出现的方法有更多的了解。目前已经出现了一些专有的互连方案,但这种方法的关键是芯片组的互操作性,以及将每个IP片段整合到尽可能广泛的产品用例集中。换句话说,对chiplet供应商来说,需要有一个市场。
 
Synposys提出了一个高速串行互连选项,据介绍:“高速die-to-die通信需要在芯片内的模之间传递大型数据集。超短距离/超短距离SerDes (USR/XSR)让这一切成为可能,目前使用112Gbps SerDes的设计和更高的速度有望在未来几年内实现。”
 
英特尔自2019年以来通过免版税许可提供了先进接口总线(AIB)。AIB规范显示2GB/s/线,目前使用的通道为40根,每个通道最多支持160根线。AIB标准是基于英特尔的嵌入式多模互连桥(EMIB)而制定。第一代AIB部署在英特尔Stratix 10产品中。英特尔介绍,与SERDES方法相比,AIB具有更低的延迟,使其更适合于更广泛的芯片类型的异构集成。
 
此外还有一些更多的互联选项。开放领域特定体系结构(ODSA)小组正在研究两个die-to-die接口——线束(BoW)和OpenHBI。关键是现在有很多多样性。随着互连方案的共识形成,芯片在市场上的生存能力将加快。
 

后FinFET时代


半导体工艺技术的FinFET时代已经持续了很久,远远超过了最初路线图的预测。英特尔首次提出了Tri-Gate概念:将晶体管通道拉伸到三维形态以改善栅极静电和控制通道导电。在其他创新中,制造商通过使用可替代纯硅的高迁移率通道,使fiFinFETnFET在5nm节点上保持可行性。
 
2020年,5纳米制程已经投入生产,苹果的处理器仍在使用了台积电FinFET。此外,台积电正在向3nm节点进发。

 
FinFET的替代品将来自“纳米线”或“栅极”(GAA)等技术。这种方法的早期技术实际上是一种扁平的金属丝或“nanosheet”。三星已宣布,他们将在3nm节点上使用多桥通道(MBCFET)。它可以通过用纳米片替换纳米线周围的栅极,来实现每堆更大的电流。
 

 
与传统的FinFET设计相反,GAAFET允许栅极材料从四面环绕通道。三星声称,MBCFET的设计将改善该过程的开关行为,并允许处理器将运行电压降低到0.75V以下。MBCFET的一个关键点在于该工艺完全兼容FinFET设计,不需要任何新的制造工具。
 
与7nm FinFET相比,3nm MBCFET将分别降低30%的功耗和45%的表面积。这一过程还将比目前高端设备的性能节点提高40%。三星今天还讲述了其他流程节点的计划,但没有提供MBCFET与这些节点的比较。
 

科技冷战


美国政府似乎明白半导体行业的战略重要性。国会已经提出了一项法案,例如Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors for America Act, 或CHIPS。美国国防部也不例外,通过其国防高级研究计划局(DARPA)创建了通用异质集成和知识产权(IP)重用 CHIPS战略计划来驱动芯片生态系统。
 
这一年的另一大关键词:中美持续贸易战,期间半导体行业是其中不可或缺的一部分。毫无疑问,芯片业务是战略性的,美国政府明白这一点。这些措施包括禁止美国芯片公司向中国设备制造商(主要是华为)供货。国内集成电路制造一直举步维艰,特别是在先进节点上,而中国依赖于国外生产。尽管有些人可能认为中国发展半导体生产是不可避免的,但美国政府已经选择剥夺中国建设尖端晶圆厂所需的生产工具。
 
在消费设备和电信设备等方面,中国大陆依赖台湾的先进工艺,因此台积电向海思等中国大陆无晶圆厂企业发货时受到了限制。
 
 
《纽约时报》在最近的一篇专栏文章阐述:“以同等价值衡量,台湾是世界上最重要的地方。”
 
台积电宣布在亚利桑那州建立晶圆厂,这是科技冷战的一个重要里程碑。有些人质疑这一目标的可行性,但我认为我们将在2021年看到这一目标的持续进展,尽管可能会缓慢而稳定。

Intel的未来


其实Intel一在考虑找代工的事情了,未来Intel会考虑Golden Cove之后的新架构要用什么制程,MTL都是已经确定用Intel自己的7nm了,但是MTL之后的新架构会使用什么制程? 是Intel自己的5nm?还是台积电的3nm?还是说使用Intel的7nm+?
 
Intel的进展速度已经被台积电甩下一大截,10nm这个节点延期延了多年直接让Intel的先进制程研发进度被台积电和三星反超,当然这里面也和Intel的10nm目标定的太高有比较大的关系,一边是要求极高密度,另一边是要求高频率。
 
而越到后面,先进制程的研发难度和费用会越来越大,IDM确实很难再和“多家Fabless+一家Fab”的组合对抗,后者的灵活性会高于前者,后者一年代工的芯片数量可以做到远多于前者。
 
或许是真的感到头疼了,所以Intel逐渐开始考虑寻找代工,若是Golden Cove之后的新架构那一代转向台积电的话,可能后面先进制程的产品可能都会逐渐转向台积电,既然越到后面研发难度和费用越来越高,那不如集中力量推动一家或者两家专门的Fab把先进制程的路子走出来,同时也不会因为制程上的卡壳落后于竞争对手。

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