芯片的未来：三个选择

晶体管是75年前发明的，不久之后就发明了集成电路(IC)。晶体管体积变小的进步也导致它们变得更便宜，这就是著名的摩尔定律。今天复杂的处理器芯片包含超过1000亿个晶体管，但小型化(“缩放”)的速度已经放缓，它不再是提高特定应用性能的唯一或主要设计目标。摩尔定律如何继续向前发展?新的方法包括将重点放在提高信息处理速度上的三维集成，而不是增加芯片上晶体管的密度。

虽然摩尔定律预测了每个晶体管成本的下降速率，但它通常是根据晶体管的尺寸来看待的，这对于二维(2D)芯片阵列来说，转化为面积大小或“占地面积”。在过去的75年里，随着工艺制程从微米级减少到纳米级，实施新制造技术的问题多次引起了人们对“摩尔定律终结”的关注。20年前，人们对一些难以扩展的技术的发展持悲观态度。在这种情况下，其中一位作者(M.S.L.)预测，金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)在所谓的65纳米节点以下(2003年是最先进的)的缩放速度不会放缓，在达到缩放极限之前，至少会持续10年。

事实上，从2003年每个芯片大约1亿个晶体管到今天每个芯片多达1000亿个晶体管的规模在持续扩大。一种方法是提高通断电流比，使其能够实际运行，抑制漏电流以减少浪费功率。2003年引入应变硅作为通道材料，通过提高电子速度来提高通电流;2004年，高介电常数的栅绝缘子降低了脱态栅漏电流。2011年，FinFET(一种非平面晶体管结构，通过栅极电极增加了对能量势垒的静电控制，从而提高了通断电流比)被引入到商业集成电路中。进一步改进栅极静电控制的栅极全能晶体管目前正在开发中。可制造的晶体管尺寸受图样和蚀刻的限制。模版是通过一种被称为光刻的过程完成的，在这个过程中，光反应性聚合物在芯片上创建一个掩模，用于蚀刻步骤。图案的最小尺寸由所用光的波长决定。最近出现的极紫外光刻技术(EUV)使得摩尔定律在7纳米节点之外继续存在成为可能。

芯片上的晶体管数量仍在增加，但扩展速度已经放缓，因为较小的晶体管功能不太好。具体来说，通道的长度(源极和漏极之间的区域，栅极作为开关)现在是10纳米。在较短的通道长度下，过多的量子力学隧穿会降低晶体管的作用。关键性能指标，如通电流(应该高，以实现高速运行)、关电流(应该低，以尽量减少待机功率)和电源电压(应该低，以尽量减少功耗)，都将同时降低。硅MosFET现在已经是尽可能小的尺寸了，而2D芯片的尺寸已经走到了尽头，所以必须找到提高性能的新方法。

通过从通用的“商品芯片”转向加速特定功能的芯片，性能得到了提高。例如，硬件加速将特定的任务交给专门的芯片，如图形处理单元或特定于应用程序的IC。像苹果这样的公司现在设计自己的芯片来满足他们的特定要求，所有主要的汽车制造商也会这样做。计算是机器学习的限制因素，谷歌等公司现在设计自己的人工智能(AI)加速器芯片。定制芯片设计可以成倍地提高性能，但正如芯片制造设施(“晶圆厂”)的成本增加一样(从2000年的约10亿美元增加到领先晶圆厂的约200亿美元)，先进设计的成本也增加了。设计一个尖端芯片可能花费5亿美元，需要大约1000名工程师的团队。降低尖端定制芯片设计的成本(可能使用机器学习技术)将是下一个电子时代的关键挑战。

持续的进步还需要基础技术的进步。尽管芯片上的晶体管数量急剧增加(通过减小它们的尺寸和增加2D芯片面积)，但直到最近，设计的一个方面基本没有改变。单个芯片与其他芯片和其他组件(如电感器)横向封装并组合在印刷电路板上。在芯片上和芯片外发送信号会增加延迟和功耗。一个新兴的设计主题是利用第三维度(垂直维度)实现万亿级集成(TSI)，将数万亿晶体管集成到单片或堆叠芯片中，并以每秒每毫米太比特的通信速度进行电气或光学互连(“每毫米”指芯片之间的通信链路距离)。例如，一个3D NAND闪存(基于NAND逻辑门并在断电时保持其状态)可以有近200层器件和5000万兆存储晶体管。新兴的逻辑晶体管采用新的通道材料(如过渡金属二硫代化物和氧化铟)，可以在低温下加工并嵌入互连堆栈中，提供了进一步的机会。

第三维度也开启了逻辑、存储器和功率晶体管的垂直异构集成的可能性。通过“穿硅通孔”（从芯片垂直连接的金属线），可以堆叠已处理的芯片，使其物理位置接近，以最大限度地减少信号延迟并降低功耗。垂直堆叠的逻辑和存储器芯片还支持新的计算范例，例如“在存储器中计算”。单片3D IC将由有源器件层组成，例如2D逻辑晶体管、磁阻和电阻随机存取存储器、铁电FET沿着将它们互连的金属线。

最近的封装创新，例如插入在3D芯片和衬底之间的硅-interposer和多裸片硅桥，在芯片之间产生了更密集的横向互连和更快的通信。先进的封装通过并行集成将逻辑、存储器、电源管理、通信和光电器件整合在一起。集成度的接近程度可与堆叠式和单片式3D IC相媲美。

单片3D集成将要求生长或沉积步骤不影响已经处理的层。例如，嵌入在互连叠层内的晶体管必须在足够低的温度下沉积，以不干扰下面的Si晶体管的掺杂剂分布。所需材料通常不兼容，除非开发特殊工艺。堆叠已加工的2D芯片以实现3D系统有其自身的一系列材料和加工挑战，例如在约1至5 mm的距离内保持互连对准。硅高低压逻辑和存储器晶体管以及基于化合物半导体的功率和高频晶体管等组件的异质集成，都提出了一系列复杂的集成挑战。

晶体管在工作时会产生热量，散热是当今电子领域的一个严重问题。事实上，异构IC中的逻辑、存储器、功率晶体管和电感器之间的热串扰带来了前所未有的设计挑战。当数以万亿计的晶体管被紧密放置在一起时，新的散热方法（也许是模仿生物体的温度调节）和热感知设计将是至关重要的。

电子系统的可靠性必须保证至少一段时间，通常为10年，但对于某些应用则为数十年。要确保每个具有1000亿个晶体管的IC的故障率在百万分之1到10之间，需要预测千万亿个晶体管的可靠性。实际上，可靠性是通过对不超过几千个晶体管进行短期加速测试来确定的。因此，需要以前所未有的精确度来理解这些新系统的磨损和灾难性故障模式的可靠性物理学。当如此多的设备相互连接并紧密靠近时，新的现象将会出现，必须对这些现象进行管理或利用。

未来的万亿级系统将从根本上不同于今天的千兆级系统，因为对系统的构建模块的理解并不能告知这些模块如何相互作用并导致新现象。芯片设计已经很复杂和昂贵，但用于放置设备进行3D设计和它们之间的互连的算法或工具还不存在。这些设计工具必须对工艺和封装集成的复杂性、3D IC之间的热串扰以及封装系统的特定操作可变性和可靠性进行建模。

当新材料和加工技术在研究中被开发出来时，它们必须被转化为大规模的制造。将研究级设备所取得的进步转化为使用不同的、更先进的制造设备进行大规模制造是一项严峻的“实验室到晶圆厂”挑战。研究团体将需要先进的处理设施，并需要短的“构思-实施-分析”的实验循环，以最大限度地学习。

散热问题将决定3D万亿级集成的极限，正如隧道效应限制了2D缩放。这一要求不一定预示着摩尔定律的终结。计算的目标不是每秒的运算次数，而是每秒的信息量。在这方面，生物学提供了一个指南。人类的感官在将信息传递给大脑之前，先在本地处理信息。在本地内存和数据处理（边缘分析）的支持下，为连接模拟世界的边缘传感器提供支持，可以防止数据洪流淹没计算机。电子业正处于转折点。75年来，晶体管变得更小已经成为可能，但这不会成为未来几十年进步的推动力。如果将摩尔定律理解为每个集成系统（不一定是每个芯片）的晶体管数量不断增加，那么摩尔定律的终结还遥遥无期（见图）。晶体管数量的增加不是通过缩小尺寸来实现的，而是通过将它们垂直堆叠或横向组合在复杂的封装中，最终集成在单片3D芯片中并增加功能。

二维（2D）纳米电子学、三维（3D）万亿级集成和功能集成都可以扩展摩尔定律，但都面临着实质性的挑战和基本限制。

不同技术路线面临的技术挑战和限制

从纳米电子学（专注于减小晶体管尺寸）到万亿级电子学（由增加晶体管数量和相关功能驱动）的转变定义了未来的范式转变和核心研究挑战。它将需要在材料、设备、加工以及人类迄今建造的最复杂系统的设计和制造方面取得根本性的进步。总有一天，电隧穿和产热瓶颈将定义3D集成的极限。在此之前，随着研究人员解决这些异常复杂的电子系统的挑战，摩尔定律可能会继续下去。

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