紀念摩爾定律50周年(下)

　　Intel于2002年起投入3D晶體管的研發(fā)，并于2011年正式量產(chǎn)3D化的3柵晶體管技術(shù)(3-D Tri-Gate transistors)，并應用于Ivy Bridge的22nm處理器以及SoC產(chǎn)品，具有低功耗與高效能相結合的優(yōu)點(diǎn)，此后，Altera公司則在其主流FPGA產(chǎn)品中采用了14nm的該項技術(shù)。

　　FinFET (FinField-Effect Transistor鰭式場(chǎng)效晶體管)是一種新的互補金屬氧半導體(CMOS)晶體管，在FinFET架構中，門(mén)控類(lèi)似魚(yú)鰭的叉狀3D架構，可于電路的兩側控制電路的接通與斷開(kāi)。這種設計可以大幅改善電路控制并減少漏電流(leakage)，也可以大大縮短晶體管的柵長(cháng)。今天業(yè)界從28nm過(guò)渡到20nm時(shí)降低成本成為面臨的一大難題，因而大部分公司在16nm或14nm工藝上都考慮采用FinFET 3D技術(shù)。但FinFET在設計方面遇到的最大挑戰是必須進(jìn)行FinFET驗證，至于3D化的挑戰則在于幾家主要的業(yè)者尚未支持堆棧式芯片架構，目前只有臺積電可支持堆棧芯片，以及三星正研發(fā)3D堆棧芯片。未來(lái)FinFET或還可應用于鍺和三五族元素的制作中。

　　碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近年隨著(zhù)碳納米管及納米材料研究的深入，其廣闊的應用前景也不斷展現出來(lái)。在2014年國際電子組件會(huì )議(IEDM)上，斯坦福大學(xué)(Stanford University)的研究人員展示了采用碳納米管的3D 芯片，碳納米管重新贏(yíng)得了研究人員的興趣，它可以取代采用TSV(硅穿孔技術(shù))的3D芯片。TSV用銅填充硅片孔洞，而銅遇熱會(huì )比周?chē)墓璨牧吓蛎浉?，而碳納米管的熱膨脹系數則與周?chē)墓璨畈欢?，此外與銅相較，納米管的傳導性更高、重量更輕。不過(guò)，以碳納米管取代TSV要達到量產(chǎn)還需克服一大障礙，就是制程的溫度：碳納米管通常在攝氏700°之下進(jìn)行生產(chǎn)，但CMOS芯片在超過(guò)攝氏450°的環(huán)境下就會(huì )受損，據說(shuō)如以獨立制程生產(chǎn)納米管，再以機械方法進(jìn)行填充，或需5年時(shí)間。

　　3D-TSV封裝技術(shù)是實(shí)現多功能、高性能、高可靠且更輕、更薄、更小的系統級封裝最有效的技術(shù)途徑之一，常用于DRAM的3D化。美國Micron公司即用此法開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用控制器上的疊層DRAM，去年開(kāi)始供應4片2GB疊層的4GbDRAM和8片疊層的4GB產(chǎn)品。韓國Hynix和三星公司也分別在開(kāi)發(fā)和出貨通過(guò)30-TSV技術(shù)的DRAM。

新材料

　　大多數三五族(III-V)元素，包括銦(In)、鎵(Ga)、砷(As)以及磷(P)都有比硅晶體管溝道更高的電子遷移率，可提升芯片效能與節省電能,被視為產(chǎn)業(yè)明日之星，甚至宣傳“將無(wú)限延長(cháng)摩爾定律壽命”。其中，砷化鎵GaAs)、砷化銦 (InAs)和砷化銦鎵(InGaAs)等化合物尤其引人矚目，例如砷化鎵不僅能提升晶體管性能，還可整合光學(xué)電路的功能。

　　在絕緣硅片上嫁接三五族化合物的關(guān)鍵是納米線(xiàn)。美國康乃狄克大學(xué)(University of Connecticut)通過(guò)POET(Planar Opto Electronic Technology-平面光電技術(shù))形成晶體管溝道，適用于SOI(絕緣硅片)基板上嫁接三五族化合物半導體。IBM公司則在研發(fā)模板輔助選擇性外延(TASE-Template-Assisted Selective Epitaxy)技術(shù)形成納米級空穴結構和多柵FET(MulG-FET)，以便在絕緣體基板上生長(cháng)出幾乎沒(méi)有缺陷的化合物半導體晶體管的納米線(xiàn)技術(shù)。

　　最近IBM公司宣布，采用鍺硅(SiGe)材料和7nm工藝開(kāi)發(fā)出了鍺硅芯片，形成了分子大小的開(kāi)關(guān)，其計算能力約為當前最強芯片的4倍，可用以制造最強大的超級計算機。

　　數據中心新結構

　　數據中心(data centric)取代傳統的處理中心(processing Centric)結構雖然沿用了諾依曼結構和CMOS技術(shù)，但由于采用了存儲類(lèi)內存(SCM-Storage Class Memory)擴大了內存容量，提高了數據傳輸速度從而改善系統的性能。這類(lèi)內存除NAND閃存外，還有MRAM(磁性隨機存取內存)、PRAM(相變化內存)、ReRAM(可變電阻內存)及STT-MRAM(Spin Transfer Torque Magnetoresistive Random Access Memory自旋轉移矩磁阻隨機內存儲器)等，這些新技術(shù)具有非易失性、運行速度快、讀寫(xiě)次數無(wú)限等特性，當然，彼此之間也存在著(zhù)競爭關(guān)系。開(kāi)發(fā)或供應的公司甚多，其中ReRAM和STT-MRAM新一代存儲器尤受人矚目，STT-MRAM非常適于目前許多主流應用，作為內存技術(shù)，它既有DRAM和SRAM的高性能，又有閃存的低功耗和低成本優(yōu)勢，并可可沿用現有的CMOS制造技術(shù)并采用10納米工藝。

　　非諾依曼結構

　　傳統計算機無(wú)不采用諾依曼結構(采用二進(jìn)制，按程序順序執行)而非諾依曼結構則是由數據而不是指令來(lái)驅動(dòng)程序執行的。當前熱議的非諾依曼結構計算機包括量子計算機和仿(人)腦計算機。量子計算機(quantum computer)是一類(lèi)遵循量子力學(xué)規律進(jìn)行高速數學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。依靠量子的多態(tài)性，其速度遠勝傳統電腦，因為量子不像半導體只能記錄0與1，而可以同時(shí)表示多種狀態(tài)。各國(包括中國)都在研究，據國外媒體今年4月報道, IBM研究人員完成了四量子位原型電路，為推出量子計算機奠定了基礎。量子計算機可以用來(lái)破解當今最強大的加密方式，也可搜索數量難以想象的數據。IBM的研究人員認為，能計算數百量子位的計算機可望在5到10年內出現，但尚不清楚究竟需要多長(cháng)時(shí)間量子計算機才能取代傳統電腦。據傳谷歌也推出了自己的量子電路，加拿大D-Wave公司更宣布已成功開(kāi)發(fā)出量子計算機。一句話(huà)：“IBM量子計算機獲(得)關(guān)鍵突破，十年內(將)終結摩爾定律”。

　　過(guò)去的幾年里，科技公司和科研人員都在努力研制神經(jīng)形態(tài)計算機用的基本構件——即模擬人腦能力的芯片，它既有分析能力，又有人腦般的直覺(jué)，從而可處理大量的數據。去年8月，IBM發(fā)表了具有腦神經(jīng)細胞和神經(jīng)突觸功能集成電路組成的神經(jīng)結構(neuromorphic)芯片-“TrueNorth”，可用以建造仿腦計算機。這種計算機模仿人腦結構，使用毫米尺寸的芯片，大大節能，可以置入眼鏡、腕表，以及其他可穿戴設備中去，作醫療輔助之用。雖然這類(lèi)芯片不像諾依曼結構芯片那樣具有通用性，但在特定應用方面則具有巨大的優(yōu)勢，據說(shuō)高通公司今年5月發(fā)表了具有仿腦計算技術(shù)的“Zeroth”芯片，可用以識別圖像、語(yǔ)音等。目前，仿腦計算機的研發(fā)還處于初始階段，尚有許多困難有待克服。無(wú)論如何，這是人們開(kāi)發(fā)未來(lái)嶄新一代計算機的方向。

參考文獻：

　　[1]陶然.守望摩爾定律[J].電子產(chǎn)品世界,2010(6)

　　[2]草木.回望摩爾定律40年[J].電子設計應用,2009(9)