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2016半導體行業摩爾定律的發展將如何?

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文章出處:午夜福利视频一区電子責任編輯:admin人氣:-發表時間:2016-02-16 15:22
       在“患病多年”後,摩爾定律於51歲“壽終正寢”。1965年,英特爾聯合創始人戈登-摩爾(GordonMoore)觀察到,集成電路中的元件集成度每12個月就能翻番。此外,確保每晶體管價格最低的單位芯片晶體管數量每12個月增長一倍。1965年,單位芯片50個晶體管可以帶來最低的每晶體管成本。
 
       摩爾預計,到1970年,單位芯片可集成1000個元件,而每晶體管成本則將下降90%。在對數據進行提煉和簡化之後,這一現象就被稱作“摩爾定律”:單位芯片晶體管數量每12個月增長一倍。
 
      摩爾的觀察並非基於任何科學或工程原理。這僅僅反映了行業發展趨勢。然而,在隨後的發展中,半導體行業並沒有將摩爾定律當作描述性、預測性的觀察,而是視為規定性、確定性的守則。整個行業必須實現摩爾定律預測的目標。
 
      然而,實現這一目標無法依靠僥幸。芯片開發是一個複雜過程,需要用到來自多家公司的機械、軟件和原材料。為了確保所有廠商根據摩爾定律製定同樣的時間表,整個行業遵循了共同的技術發展路線圖。由英特爾、AMD、台積電、GlobalFoundries和IBM等廠商組成的行業組織半導體協會從1992年開始發布這樣的路線圖。1998年,半導體行業協會與全球其他地區的類似組織合作,成立了“國際半導體技術路線圖”組織。最近的一份路線圖於2013年發布。
 
      摩爾定律提出的預測早在很久之前就已出現過問題。1975年,摩爾本人更新了摩爾定律,將半導體行業的發展周期從12個月增加至24個月。在隨後30年中,通過縮小芯片上元件的尺寸,芯片發展一直遵循著摩爾定律。
 
     然而到00年代,很明顯單純依靠縮小尺寸的做法正走到尾聲。不過,通過其他一些技術,芯片的發展仍然符合摩爾定律的預測。在90納米時代,應變矽技術問世。在45納米時代,一種能提高晶體管電容的新材料推出。在22納米時代,三柵極晶體管使芯片性能變得更強大。
 
    不過,這些新技術也已走到末路。用於芯片製造的光刻技術正麵臨壓力。目前,14納米芯片在製造時使用的是193納米波長光。光的波長較長導致製造工藝更複雜,成本更高。波長13.5納米的遠紫外光被認為是未來的希望,但適用於芯片製造的遠紫外光技術目前仍需要攻克工程難題。
 
    即使遠紫外光技術得到應用,目前也不清楚,芯片集成度能有多大的提高。如果縮小至2納米,那麽單個晶體管將隻有10個原子大小,而如此小的晶體管可靠性很可能存在問題。即使這些問題得到解決,功耗也將繼續造成困擾。隨著晶體管的連接越來越緊密,芯片功耗將越來越大。
 
    應變矽和三柵極晶體管等新技術曆經了10多年的研究才得到商用。遠紫外光技術被探討的時間更長。而成本因素也需要考慮。相應於摩爾定律,午夜福利视频一区還有一個洛克定律。根據後一定律,芯片製造工廠的成本每4年就會翻番。新技術的發展可能將帶來更高的芯片集成度,但製造這種芯片的工廠將有著高昂的造價。
 
    近期,午夜福利视频一区已經看到這些因素給芯片公司造成了現實問題。英特爾原計劃於2016年在Cannonlake處理器中改用10納米工藝,這小於當前Skylake芯片采用的14納米工藝。去年7月,英特爾調整了計劃。根據新計劃,英特爾將推出另一代處理器KabyLake,並沿用此前的14納米工藝。Cannonlake和10納米工藝仍在計劃之中,但被推遲至2017年下半年發布。
 
    與此同時,新增的晶體管變得越來越難用。80至90年代,新增晶體管帶來的價值顯而易見。奔騰處理器的速度遠高於486處理器,而奔騰2代又遠好於奔騰1代。隻要處理器升級,計算機性能就會有明顯的提升。然而在進入00年代之後,這樣的性能提升逐漸變得困難。受發熱因素影響,時鍾頻率無法繼續提高,而單個處理器核心的性能隻能實現增量式增長。因此,午夜福利视频一区看到處理器正集成更多核心。從理論上來說,這提升了處理器的整體性能,但這種性能提升很難被軟件所利用。
 
     這一係列困難表明,由摩爾定律驅動的半導體行業發展路線圖即將終結。但摩爾定律日薄西山並不意味著半導體行業進步的終結。
 
    愛荷華州大學的計算機科學家丹尼爾-裏德(DanielReed)打了個比方:“想一想飛機行業發生了什麽,一架波音787並不比上世紀50年代的707快多少,但是它們仍然是非常不同的兩種飛機。”比如全電子控製和碳纖維機身。“創新絕對會繼續下去,但會更細致和複雜。”
 
     2014年,國際半導體技術路線圖組織決定,下一份路線圖將不再依照摩爾定律。《自然》雜誌刊文稱,將於下月發布的下一份路線圖將采用完全不同的方法。
 
    新的路線圖不再專注於芯片內部技術,而新方法被稱作“比摩爾更多”。例如,智能手機和物聯網的發展意味著,多樣化的傳感器和低功耗處理器的重要性將大幅提升。用於這些設備的高集成度芯片不僅需要邏輯處理和緩存模塊,還需要內存和電源管理模塊,用於GPS、移動網絡和WiFi網絡的模擬器件,甚至陀螺儀和加速計等MEMS器件。
 
    以往,這些不同類型的器件需要用到不同的製造工藝,以滿足不同需求。而新路線圖將提出,如何將這些器件集成在一起。整合不同製造工藝、處理不同原材料需要新的處理和支持技術。如果芯片廠商希望為這些新市場開發芯片,那麽解決這些問題比提高芯片集成度更重要。
 
    此外,新的路線圖還將關注新技術,而不僅是當前的矽CMOS工藝。英特爾已宣布,在達到7納米工藝之後,將不再使用矽材料。銻化銦和銦镓砷化合物都有著不錯的前景。與矽相比,這些材料能帶來更快的開關速度,而功耗也較低。碳材料,無論是碳納米管還是石墨烯,也在繼續被業內研究。
在許多備選材料中,二維材料“石墨烯”被看好。這種自旋電子材料通過翻轉電子自旋來計算,而不是通過移動電子。這種“毫伏特”量級 (操作電壓比“伏特”量級的晶體管要低得多)的電子開關比矽材料開關的速度更快,而且發熱量更小。不幸的是這種電子材料還未走出實驗室。
 
    盡管優先級下降,但縮小尺寸提高集成度的做法並未被徹底拋棄。在三柵極晶體管的基礎上,到2020年左右,“柵極全包圍”晶體管和納米線將成為現實。而到20年代中期,午夜福利视频一区可能將看到一體化3D芯片的出現,即在一整塊矽片上製作多層器件。斯坦福大學的電氣工程師SubhasishMitra和他的同事已經開發出用碳納米管將3D存儲單元層連接起來的辦法,這些碳納米管承載著層間的電流。該研究小組認為,這樣的體係結構可以將能耗降低到小於標準芯片的千分之一。
 
    此外,另一種提高計算性能的方法是使用像“量子計算”這樣的技術,該技術有望加速某些特定問題的計算速度,還有一種“神經計算”技術旨在是模擬大腦的神經元處理單元。但是,這些替代性的技術可能需要很久才能走出實驗室。而許多研究者認為,量子計算機將為小眾應用提供優勢,而不是用來取代處理日常任務的數字計算。去年底,穀歌量子人工智能實驗室已證明:他們的D-Wave量子計算機處理某些特定問題,比普通計算機快一億倍。
 
    通過新材料、不同的量子效應,甚至超導等不可思議的新技術,半導體行業或許能繼續像以往一樣提高芯片集成度。如果集成度能獲得明顯提升,那麽市場對速度更快的處理器的需求可能將再次爆發。
 
     但目前看來,摩爾定律被打破將成為一種新常態。摩爾定律對半導體行業的指導意義正逐漸消失
 
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