CMOS 2.0 革命

CMOS 技術通過平衡性能、能源效率和經濟性，徹底改變了電子行業。片上系統 (SoC) 范例允許采用通用方法來驅動日益復雜的系統，在單個芯片上集成越來越多的晶體管。正如已故的戈登摩爾在半個多世紀前所預測的那樣，這也實現了大批量和低成本的生產，提高了電子產品的可承受性。

摩爾表示，半導體芯片上的晶體管數量每兩年就會增加一倍，這一趨勢將推動日益強大和高效的電子設備的發展。簡而言之，你可以通過把事情變得更小來讓事情變得更好。

對小型化和通用設計的極大關注是 CMOS 在過去幾十年中取得巨大成功的核心，但如今已接近其物理極限。

CMOS 縮放遇到多個障礙

雖然 SoC 方法提供了最大的能源效率，但它促使系統架構師在 CMOS 平臺內積累大量復雜的功能。2000 年代誕生的多核架構的優化導致了多種計算引擎的興起，從最初的 CPU 到 GPU 的分割，到不同功率優化的處理器，再到不同類型的加速器。多年來，SoC 內的內存子系統也發生了廣泛的多樣化，導致了復雜的層次結構和各種訪問機制。

這種持續優化背后的驅動力是需要根據其必須執行的任務類型或工作負載來優化計算系統，每個任務或工作負載都高度特定于目標應用程序。值得注意的是，這種演變甚至可以在單一技術平臺內實現，而且就目前情況而言，有幾個重要的障礙阻礙了其進一步發展：

• 我們正在見證由微凸塊節距縮放和混合鍵合驅動的芯片間電氣互連的巨大進步，這允許對 SoC 功能進行細粒度劃分?；诠韫庾訉W的光學互連和 3D 互連的進步實現了聯合封裝，以更短的長度提供高帶寬、低功耗的光學連接。這就引出了一個問題：SoC 方法是否仍然保持其原有的能效優勢。分成多個芯片可以在成本和性能優化方面帶來巨大的好處。

• 應用的多樣性需要先進的技術來突破計算性能的界限，這使得 CMOS 達到了其作為通用平臺所能提供的極限。設計人員現在需要解決單一平臺的限制，這有時會導致效率大幅降低。

• 整個 CMOS 平臺的整體縮放解決方案變得越來越難以實現。例如，2 納米納米片技術將使傳統的厚氧化物 IO 電路從 SoC 中移出。SRAM 的擴展程度不如邏輯，并且 SoC 中的功率需要通過背面互連網絡進行分配，因為正面互連電阻會變得令人望而卻步。

• 由于晶體管 RC 寄生效應的增長快于驅動強度的增長，CMOS 的節點到節點性能改進也顯著降低。由于設計規則和工藝集成的復雜性，先進 CMOS 的設計和晶圓成本顯著增加，因此出現了這種情況。

從通用到「驚喜彩票」

在技術和產品需求不斷變化的有趣背景下，創造性的組合催生了創新的解決方案。例如，Apple M1 Ultra 本質上是通過硅橋將兩個芯片縫合在一起，從而創建具有前所未有的性能和功能的混合 SoC。AMD 通過在原始處理器 SoC 頂部 3D 堆疊 SRAM 芯片來增加內存容量。在人工智能領域，超級橫向擴展處理系統（例如全晶圓 Cerebras 的 WSE-2 和 Nvidia 的大型 GPU 芯片 H100 組合 HBM DRAM）正在突破深度學習計算的界限。

上面的例子說明了技術開發是如何根據給定應用程序空間的具體需求而被推向極端的。與此同時，增強現實和虛擬現實、6G 無線和自動駕駛汽車等新興應用將需要極大的性能改進和功耗降低。工作負載和操作條件將進一步增加 CMOS 所支持的實現的多樣性，從而迫使人們做出更多次妥協。

換句話說，我們正在目睹 CMOS 未能發揮其作為通用技術的強大作用。相反，我們最終會遇到這樣的情況：應用程序的成功將取決于可用的 CMOS 滿足其特定邊界條件的程度。Sara Hooker 創造了「硬件彩票」，表明硬件決定了哪些研究想法會成功或失敗。

協同優化系統和技術

當你唯一的工具是錘子時，你很容易把所有問題都當作釘子來對待。解決這個難題的唯一方法是擴展工具箱。換句話說，我們需要更加通用的技術平臺，因為移動芯片組的能源、成本、溫度、功率密度、內存容量、速度等限制與 HPC 或 VR 系統的限制非常不同。

這就是為什么我們設想一種由系統技術協同優化 (STCO) 驅動的全新范例：CMOS 2.0。STCO 涉及系統設計人員與技術團隊密切合作，以確定最合適的選項，而不是依賴現成的擴展選項。技術團隊在開發下一代產品時還需要了解特定的系統規范。應用程序、工作負載和系統限制的多樣性將需要更廣泛的技術選擇。

它需要重新思考技術平臺，以便滿足各種系統和應用程序的需求。CMOS 2.0 通過啟用定制芯片來實現這一目標，這些芯片是根據多個 3D 堆疊層中的各種功能的智能分區而構建的。

CMOS2.0 具有與經典 CMOS 平臺相同的「外觀和感覺」

與我們今天看到的異構系統不同，在異構系統中，混合鍵合解決了內存限制，有源中介層解決了帶寬限制，背面配電網絡解決了功耗問題，而 CMOS 2.0 通過在 SoC 內部引入異構性，采取了更具革命性的方法。它將具有與經典 CMOS 平臺相同的「外觀和感覺」，同時為系統優化提供更多功能。密集邏輯層將代表大部分成本，并且仍然需要擴展。然而，其他縮放限制現在已被物理刪除到其他層。

兩全其美

CMOS 2.0 將利用現有的和新的先進 2.5D 和 3D 互連技術，例如密集間距銅混合鍵合、電介質鍵合、小芯片集成、晶圓背面處理以及涉及異質層轉移的順序 3D 集成。它將允許 SoC 的高互連粒度以及封裝內系統提供的高科技異構性，從根本上解除傳統 CMOS 的限制。

CMOS 2.0 將允許使用低電容、低驅動晶體管來驅動短程互連，同時利用單獨層中的高驅動晶體管來驅動長程互連。新的嵌入式存儲器可以作為高速緩存層次結構中的單獨層引入。它還可以實現極端的 BEOL 節距圖案以進行縮放，而不受電源壓降的限制。引入非硅器件（如 2D 材料）、新型嵌入式存儲器（如 MRAM 或沉積氧化物半導體）將變得更加容易，因為它們無需滿足通用 CMOS 規范。對于設計人員來說，CMOS 2.0 平臺感覺就像傳統的 CMOS，但具有顯著擴展且更通用的工具箱。

雖然尺寸縮放不再是推動計算縮放的唯一答案，但 CMOS 2.0 不會消除增加密度的需要。然而，擴展問題必須以更全面的方式解決，因為答案會根據應用程序的不同而不同。高密度邏輯將優化每瓦性能，而高驅動邏輯則保持關鍵路徑中的帶寬和性能。擴展性較差的設備，例如密集邏輯厚氧化物 IO、電源開關、模擬或 MIMCAP，現在可以使用更具成本效益的技術節點集成在單獨的層中。移除所有必要但不可擴展的 SoC 部件也為一系列新型設備打開了大門。

革命已經開始

背面配電網絡是我們進入新 CMOS 2.0 時代的第一個跡象。所有主要代工廠都宣布他們將轉向在晶圓背面配備配電系統的集成芯片，這對于實現高性能和節能電子設備變得越來越重要。晶圓背面處理的使用為集成電源開關等設備、從正面遷移全局時鐘路由或添加新的系統功能提供了機會。

可以說，這種范式轉變提供了更復雜的技術現實。EDA 工具的發展速度有多快？分區的成本和復雜性是否會變得令人望而卻步？CMOS 2.0 平臺的熱性能是否可控？只有時間會給出答案。引用德國哲學家和革命家弗里德里?！ざ鞲袼沟脑挘骸笡]有人確切知道他正在創造的革命?！古c此同時，這也正是這些時代如此迷人的原因。探索這些未知領域需要整個半導體生態系統的密切合作和共同創新。受到威脅的不是摩爾定律本身，而是它所代表的促進經濟增長、科學進步和可持續創新的能力。