五個(gè)延續摩爾定律的方法

摩爾定律是1965年，由時(shí)任Fairchild半導體公司研發(fā)主管的Gordon Moore所提出的概念最初的定義是以最佳成本整合進(jìn)芯片的晶體管每年會(huì )倍增。而Moore創(chuàng )辦英特爾之后，修改了相關(guān)概念，變成電腦芯片的晶體管每?jì)赡陼?huì )倍增，而這也成為我們熟知的摩爾定律。

圖說(shuō)：過(guò)去幾十年的半導體發(fā)展路徑，基本都遵照著(zhù)摩爾定律的方向走。

摩爾定律在過(guò)去幾十年的時(shí)間里很好的發(fā)揮了作為芯片技術(shù)發(fā)展基準的作用，但隨著(zhù)晶體管制程發(fā)展的困難度越來(lái)越高，也開(kāi)始有人宣稱(chēng)該定律已經(jīng)不適合未來(lái)半導體的發(fā)展。而首先跳出來(lái)說(shuō)該定律已死的，其實(shí)就是英特爾自家。由于英特爾過(guò)去幾年在發(fā)展10nm技術(shù)遇到困難，因此只能依靠14nm制程不斷調整，但制程技術(shù)無(wú)法前進(jìn)，代表芯片上的晶體管密度就很難有大幅成長(cháng)，也因此對英特爾來(lái)說(shuō)，摩爾定律成為遙不可及的目標。

然而英特爾停滯不前，其在芯片制造方面的對手，也就是臺積電、三星等，卻未必認同，二者都已經(jīng)量產(chǎn)7nm EUV制程芯片，在晶體管密度方面已經(jīng)遠遠超出英特爾所能達到的量級，英特爾隨后雖也宣稱(chēng)其10nm正式量產(chǎn)(晶體管密度約等同于7nm)，但已經(jīng)晚了好幾步。

另一方面，NVIDIA執行長(cháng)黃仁勛也在CES發(fā)布會(huì )上公開(kāi)表示摩爾定律已死，他的論點(diǎn)比較偏向英特爾，認為未來(lái)制程發(fā)展空間有限，很難再把那么多晶體管塞進(jìn)空間有限的芯片中，應該要轉而追求架構的革新。

當然，目前的晶體管制造技術(shù)或者是應用方向，是否還能符合當初摩爾所制訂的”定律”，其實(shí)有不小的討論空間，摩爾定律是否已死亦成為近年來(lái)最受人關(guān)注的議題之一，雖然不少人認為摩爾定律該退役了，但也有不少人認為摩爾定律還大有可為，而認為摩爾定律未死的其中之一，就是臺積電。

那么包含臺積電的制程技術(shù)在內，還有哪些發(fā)展方向最有可能延續摩爾定律的幾個(gè)技術(shù)發(fā)展方向?以下提出五種供各位讀者參考。

1.可延續至0.1nm的制程發(fā)展

在臺灣的SEMICON 2019大會(huì )上，臺積電研發(fā)負責人黃漢森延續之前臺積電全球市場(chǎng)部主管Godfrey Cheng曾發(fā)表過(guò)的文章看法，認為摩爾定律還未死。Godfrey Cheng認為，如果以計算性能成長(cháng)為指標，那么過(guò)去幾年包含GPU、AI芯片，這種借由芯片架構的改善來(lái)達到的計算能量成長(cháng)要更驚人。

過(guò)去是CPU等傳統架構很大一部分是以晶體管的密度來(lái)決定性能的增長(cháng)，其實(shí)這種概念已經(jīng)有點(diǎn)老舊了，未來(lái)應該要更重視架構的革新，但如果要回到晶體管密度這種單純定義上，那么要維持單一芯片兩年密度倍增的的軌跡，其實(shí)難度不大(對臺積電而言)。

而黃漢森更進(jìn)一步的表示，未來(lái)臺積電的制程密度將有可能達到0.1nm，而搭配納米碳管技術(shù)，可以將制程工藝微縮到0.1nm的大小，這時(shí)的晶體管約等同于氫原子的大小。而他表示，7nm已經(jīng)是成熟制程，5nm也即將量產(chǎn)，而3nm亦箭在弦上，目前臺積電也已經(jīng)在發(fā)展2nm的技術(shù)，未來(lái)數十年，摩爾定律仍將在半導體產(chǎn)業(yè)持續下去。

當然，黃漢森也表示，未來(lái)芯片的設計不是只講求單一芯片的晶體管規模，而是要從功能整合，或者是應用場(chǎng)景去看，純粹以密度發(fā)展為定義的摩爾定律雖仍可持續，但未來(lái)也應該要針對新型態(tài)的芯片設計設計出全新的定義。

2.3D封裝技術(shù)整合異構計算

封裝技術(shù)是半導體制程的重要角色，也是決定計算應用場(chǎng)景的關(guān)鍵技術(shù)，目前仍在制程技術(shù)持續努力的晶圓制造商，基本都已經(jīng)認清制程脫離不了封裝，紛紛跳下來(lái)做封裝的業(yè)務(wù)，而封裝技術(shù)也從傳統的2D拼圖，開(kāi)始轉成3D立體堆疊，畢竟土地有限，蓋高樓才能容納更多住戶(hù)已經(jīng)是不變的真理。

圖說(shuō)：3D封裝已經(jīng)成為未來(lái)提升芯片密度、功能與性能的必備手段。

英特爾在去年底的技術(shù)日揭示了其最新的3D封裝技術(shù)Foveros，其在概念上就是要通過(guò)更靈活的不同功能芯片顆粒的組合調配，突破傳統的一個(gè)芯片只能通過(guò)同一個(gè)制程來(lái)完成的限制，讓不同功能芯片顆粒都能用其具備最佳成本、效能的制程制造，最后在封裝階段再組合起來(lái)，而因為英特爾在鉆孔、貼合、拼裝方面的技術(shù)發(fā)展有其心得，因此希望通過(guò)這個(gè)封裝技術(shù)來(lái)讓英特爾的產(chǎn)品可以跨越到更多的計算領(lǐng)域之中。

臺積電這方面則是推出接近3D封裝層次的SoIC封裝，SoIC 是一種創(chuàng )新的多芯片堆棧技術(shù)，主要是針對 10nm以下的制程技術(shù)進(jìn)行晶圓級接合，SoIC技術(shù)的最大特色是沒(méi)有突起的鍵合結構，因此運作性能將會(huì )更優(yōu)秀。而SoIC在功能特性上就與英特爾的Foveros技術(shù)大同小異，同樣標榜可以把很多不同性質(zhì)的芯片整合在一起。

三星目前已經(jīng)提供2.5D封裝的I-Cube技術(shù)，同時(shí)也計劃在2019年推出3D SiP(System In Package)，力圖壓倒臺積電。

通過(guò)立體堆疊的方式，單一芯片可以放進(jìn)更多的晶體管，甚至完全不同制程的芯片顆粒也能封在一起，這也突破了傳統的芯片制造概念。而通過(guò)3D封裝技術(shù)，制造端可以制造較小規模晶體管的芯片顆粒，但通過(guò)對不同顆粒的堆疊封裝，就可以變成超大規模的單一芯片，摩爾定律所定義的單一芯片晶體管密度成長(cháng)曲線(xiàn)，對這類(lèi)封裝技術(shù)而言根本不算挑戰。

3.石墨烯、納米碳管等新材料進(jìn)入半導體

圖說(shuō)：納米碳管是推動(dòng)未來(lái)半導體制程前進(jìn)0.1nm的重要技術(shù)

新材料對于制程技術(shù)的發(fā)展同樣重要，由于制程密度越高，其承受的量子物理現象也就越難掌控，而更重要的是，晶體管設計必須讓電子以設計者想要的方向跑，傳統的硅其實(shí)在微縮的過(guò)程中已經(jīng)遇到過(guò)很多問(wèn)題，因此，必須添加很多不同的材料來(lái)改善傳統半導體材料的導電特性，而要進(jìn)入3nm，就必須導入新的材料，根據三星以及臺積電的路線(xiàn)圖，這種新材料在進(jìn)入2nm之后也會(huì )遇到瓶頸。而臺積電也說(shuō)明，通過(guò)納米碳管，1.2nm成為可能，未來(lái)制程甚至可繼續發(fā)展至0.1nm。

4.硅光子

半導體的形式還有很多種，除了傳統堆晶體管，以控制電子為方法的傳統芯片設計，近來(lái)還有利用光來(lái)計算的芯片型態(tài)，由中國年輕科學(xué)家沈亦晨所創(chuàng )辦的Lightelligence，就以光來(lái)代替電子，完成了計算工作。

圖說(shuō)：Lightelligence正在發(fā)展的光子計算，或將重寫(xiě)摩爾定律。

光在半導體領(lǐng)域其實(shí)并不罕見(jiàn)，但過(guò)去多被用來(lái)作為數據傳輸的載體，而不是計算工作，若光子計算能夠成為主流計算的一部份，或者是取代傳統半導體計算形式，那么對產(chǎn)業(yè)而言，晶體管密度的定義也可以推倒重來(lái)，目前光子芯片用的制程還是屬于非常低階的技術(shù)，若要以最簡(jiǎn)單的方式：提高晶體管密度來(lái)增加計算速度，可能摩爾定律所定義的每?jì)赡瓯对隹梢源蟠罂s短。

5.量子計算

而量子計算有很多種實(shí)現方式，包括核磁共振 (nuclear magnatic resonance)、離子陷阱 (iron trap)、中性原子 (netural atom)、共振腔量子電動(dòng)力學(xué) (cavity QED)、全光學(xué)式(All optical)、固態(tài)材料 (solid state)、超導材料 (superconductor)，目前超導材料算是量子計算的主流，而前面提到的硅光子計算，同樣也是屬于量子計算的范疇。

圖說(shuō)：IBM的Q量子計算機。

作為重新定義計算的量子計算技術(shù)，其衡量計算算力的最基礎單位，就是量子比特了。如果要讓量子計算符合摩爾定律，那么以量子比特的規模增加來(lái)取代傳統晶體管密度的定義，可能會(huì )是比較適合的方向。

當然，目前量子計算還在相當早期的階段，不同的量子計算實(shí)現方法也都還在發(fā)展當中，其中，超導量子計算已經(jīng)非常接近量子霸權。但由Google所聲稱(chēng)達成的量子霸權，其計算設備只有具備53個(gè)量子比特，如果未來(lái)能搞定算法以及應用轉移的困難點(diǎn)，為了因應計算需求的成長(cháng)，量子比特的數量也會(huì )很快的增加，根據專(zhuān)家的看法，屆時(shí)摩爾定律將遠遠追不上量子計算的發(fā)展。

為了滿(mǎn)足量子計算的發(fā)展，IBM也發(fā)明了一個(gè)叫做量子體積(Quantum Volume)的專(zhuān)用性能指標，用于測量量子電腦的強大程度，其影響因素包括量子位元數、閘和測量誤差、設備交叉通信、以及設備連接和電路編譯效率等。

因此，量子體積越大，量子電腦的性能就越強大，能夠解決的實(shí)際問(wèn)題就越多。重要的是，IBM發(fā)現量子體積遵循一種”摩爾定律”：其量子電腦實(shí)現的量子體積，每年增加一倍。