紀(jì)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(yīng)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(jié)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(xiàng)技術(shù)。

　　FinFET (FinField-Effect Transistor鰭式場效晶體管)是一種新的互補(bǔ)金屬氧半導(dǎo)體(CMOS)晶體管，在FinFET架構(gòu)中，門控類似魚鰭的叉狀3D架構(gòu)，可于電路的兩側(cè)控制電路的接通與斷開。這種設(shè)計(jì)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。今天業(yè)界從28nm過渡到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(shè)計(jì)方面遇到的最大挑戰(zhàn)是必須進(jìn)行FinFET驗(yàn)證，至于3D化的挑戰(zhàn)則在于幾家主要的業(yè)者尚未支持堆棧式芯片架構(gòu)，目前只有臺(tái)積電可支持堆棧芯片，以及三星正研發(fā)3D堆棧芯片。未來FinFET或還可應(yīng)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(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近年隨著碳納米管及納米材料研究的深入，其廣闊的應(yīng)用前景也不斷展現(xiàn)出來。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)比周圍的硅材料膨脹更多，而碳納米管的熱膨脹系數(shù)則與周圍的硅差不多，此外與銅相較，納米管的傳導(dǎo)性更高、重量更輕。不過，以碳納米管取代TSV要達(dá)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芯片在超過攝氏450°的環(huán)境下就會(huì)受損，據(jù)說如以獨(dú)立制程生產(chǎn)納米管，再以機(jī)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(xiàn)多功能、高性能、高可靠且更輕、更薄、更小的系統(tǒng)級封裝最有效的技術(shù)途徑之一，常用于DRAM的3D化。美國Micron公司即用此法開發(fā)了專用控制器上的疊層DRAM，去年開始供應(yīng)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發(fā)和出貨通過30-TSV技術(shù)的DRAM。

新材料

　　大多數(shù)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(jié)省電能,被視為產(chǎn)業(yè)明日之星，甚至宣傳“將無限延長摩爾定律壽命”。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。美國康乃狄克大學(xué)(University of Connecticut)通過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(dǎo)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(jié)構(gòu)和多柵FET(MulG-FET)，以便在絕緣體基板上生長出幾乎沒有缺陷的化合物半導(dǎo)體晶體管的納米線技術(shù)。

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

　　數(shù)據(jù)中心新結(jié)構(gòu)

　　數(shù)據(jù)中心(data centric)取代傳統(tǒng)的處理中心(processing Centric)結(jié)構(gòu)雖然沿用了諾依曼結(jié)構(gòu)和CMOS技術(shù)，但由于采用了存儲(chǔ)類內(nèi)存(SCM-Storage Class Memory)擴(kuò)大了內(nèi)存容量，提高了數(shù)據(jù)傳輸速度從而改善系統(tǒng)的性能。這類內(nèi)存除NAND閃存外，還有MRAM(磁性隨機(jī)存取內(nèi)存)、PRAM(相變化內(nèi)存)、ReRAM(可變電阻內(nèi)存)及STT-MRAM(Spin Transfer Torque Magnetoresistive Random Access Memory自旋轉(zhuǎn)移矩磁阻隨機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器)等，這些新技術(shù)具有非易失性、運(yùn)行速度快、讀寫次數(shù)無限等特性，當(dāng)然，彼此之間也存在著競爭關(guān)系。開發(fā)或供應(yīng)的公司甚多，其中ReRAM和STT-MRAM新一代存儲(chǔ)器尤受人矚目，STT-MRAM非常適于目前許多主流應(yīng)用，作為內(nèi)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(xiàn)有的CMOS制造技術(shù)并采用10納米工藝。

　　非諾依曼結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無不采用諾依曼結(jié)構(gòu)(采用二進(jìn)制，按程序順序執(zhí)行)而非諾依曼結(jié)構(gòu)則是由數(shù)據(jù)而不是指令來驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行的。當(dāng)前熱議的非諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)包括量子計(jì)算機(jī)和仿(人)腦計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)(quantum computer)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)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(yuǎn)勝傳統(tǒng)電腦，因?yàn)榱孔硬幌癜雽?dǎo)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(jù)國外媒體今年4月報(bào)道, IBM研究人員完成了四量子位原型電路，為推出量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。量子計(jì)算機(jī)可以用來破解當(dāng)今最強(qiáng)大的加密方式，也可搜索數(shù)量難以想象的數(shù)據(jù)。IBM的研究人員認(rèn)為，能計(jì)算數(shù)百量子位的計(jì)算機(jī)可望在5到10年內(nèi)出現(xiàn)，但尚不清楚究竟需要多長時(shí)間量子計(jì)算機(jī)才能取代傳統(tǒng)電腦。據(jù)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發(fā)出量子計(jì)算機(jī)。一句話：“IBM量子計(jì)算機(jī)獲(得)關(guān)鍵突破，十年內(nèi)(將)終結(jié)摩爾定律”。

　　過去的幾年里，科技公司和科研人員都在努力研制神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)用的基本構(gòu)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，從而可處理大量的數(shù)據(jù)。去年8月，IBM發(fā)表了具有腦神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)突觸功能集成電路組成的神經(jīng)結(jié)構(gòu)(neuromorphic)芯片-“TrueNorth”，可用以建造仿腦計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)模仿人腦結(jié)構(gòu)，使用毫米尺寸的芯片，大大節(jié)能，可以置入眼鏡、腕表，以及其他可穿戴設(shè)備中去，作醫(yī)療輔助之用。雖然這類芯片不像諾依曼結(jié)構(gòu)芯片那樣具有通用性，但在特定應(yīng)用方面則具有巨大的優(yōu)勢，據(jù)說高通公司今年5月發(fā)表了具有仿腦計(jì)算技術(shù)的“Zeroth”芯片，可用以識(shí)別圖像、語音等。目前，仿腦計(jì)算機(jī)的研發(fā)還處于初始階段，尚有許多困難有待克服。無論如何，這是人們開發(fā)未來嶄新一代計(jì)算機(jī)的方向。

參考文獻(xiàn)：

　　[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(shè)計(jì)應(yīng)用,2009(9)