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臺積電黃漢森:2050年晶體管能做到0.1納米,氫原子尺度

發布時間:2020-08-07 21:57:57 來源:ITPUB博客 閱讀:197 作者:AIBigbull2050 欄目:互聯網科技

臺積電研發負責人Phillip Wong近日在硅谷舉行的Hot Chips會議上表示,摩爾定律沒死,依然有效且狀況良好,并表示隨著新技術的進步,到2050年晶體管做到0.1納米,約等于氫原子的大小。

“毋庸置疑,摩爾定律依然有效且狀況良好,它沒有死掉,沒有減速,也沒有生病。”

臺積電研發負責人 Philip Wong(黃漢森)在Hot chips大會上表示,他展示了臺積電對芯片技術的前瞻,稱 到2050年,晶體管將縮小到氫原子尺度,即0.1nm

臺積電黃漢森:2050年晶體管能做到0.1納米,氫原子尺度

黃漢森去年8月開始擔任臺積電企業研究副總裁,在此之前他是斯坦福大學電機工程學系教授,擅長新形態的存儲技術研究,在學術界擁有很高聲望。

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黃漢森在Hot Chips大會上演講的題目是:“ 下一個半導體工藝節點會給我們帶來什么?” ,他還詳細介紹了其他芯片技術的發展,比如將內存放在處理器的正上方,他預計這將提高性能。

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對摩爾定律非常樂觀,臺積電提出芯片進展的三大方向

摩爾定律預測,集成電路上可容納的晶體管數量,約每隔 18 個月便會增加一倍,性能也將提升一倍(即更多的晶體管使其更快)。

不過,如何以最有經濟效益的方法將數十億個晶體管放在一顆芯片中,成為當前芯片制造遇到的最大挑戰,所以近年來有不少人認為摩爾定律逼近了物理極限并開始放緩。

英特爾一直在努力研發先進制程,但從整個行業來看,單個晶體管的價格不再繼續下降。這就限制了新的制造工藝只能用于高端、高成本的芯片。過去芯片行業的好日子已經一去不復返了,那時芯片的時鐘速度提高,功耗卻沒有受到任何影響。

因此,芯片制造業出現悲觀主義者也就不足為奇。

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黃漢森預計,處理器將由不同芯片元件3D堆疊組成,而在當前這些元件通常是分開的。這將意味著芯片獲得更小的尺寸和更高的性能。

不過,作為晶圓代工龍頭的臺積電卻非常樂觀。黃漢森表示,摩爾定律進展良好,并大膽地預測了到2050年的進展,盡管他沒有提供任何詳細的計劃。

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Real World Technologies的分析師David Kanter則更為謹慎。由于臺積電現在與英特爾已經是并列,而不是在英特爾之后,臺積電不得不承擔更多的領導責任,加大研發投入,因此聽到該公司如此樂觀并不令人意外。但談到芯片的進步,黃漢森對一些實際問題避而不談,比如縮小晶體管的速度放緩,以及制造最新一代產品的成本增加。

根本性的改進

“我們期待看到更多不同方向的創新,這將為行業提供持續的利益。”黃漢森說:“這就是我們關心的。”

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黃漢森表示,芯片技術的元件正在縮小到極小的尺寸

關于未來的技術路線,Philip Wong 認為像 碳納米管(1.2nm 尺度), 2D層狀材料等可以將晶體管變得更快,尺寸更小;同時, 相變內存(PRAM), 旋轉力矩轉移隨機存取內存(STT-RAM)等會直接和處理器封裝在一起,縮小體積,加快數據傳遞速度;此外還有  3D 堆疊封裝技術

具體而言,黃漢森就未來的發展方向提出若干觀點:

  • 新技術將使晶體管更快、更小。長期以來一直在考慮的一項技術——碳納米管,現在正變得切實可行。另一種是被稱為2D層狀材料的材料,可以通過讓電子更容易地流過芯片來提供類似的增強。
  • 一些 新的內存技術將直接構建到處理器中,而不是作為單獨的芯片連接。這種快速連接將極大地提高性能,因為芯片上的邏輯電路(處理數據的部分)將更快地獲得所需的數據,因此不必有太多閑置時間。
  • 3D堆疊技術將意味著,如今孤立的計算機處理器功能可以被夾在多個層中,與高速數據通路相連。

“在這些系統中,多層邏輯和內存以細粒度的方式集成,連接性是關鍵,”黃漢森說。

分析師Nathan Brookwood表示,盡管黃漢森對碳納米管等技術非常關注,但不認為臺積電本身在現階段會押注于任何特定的新技術。

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不過,黃漢森強調,除了硬件,軟件算法也需要迎頭趕上。一旦實現了這一點,芯片的進步將提供更好的計算設備。這是至關重要的,黃漢森說:“ 社會對先進技術的需求是無止境的。”

接下來,新智元帶來黃漢森在Hot Chip 2019主旨演講的完整PPT,附精編解讀。

臺積電Hot Chips大會演講精編(附PPT)

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摩爾定律講的是元件密度,這是高性能計算的主要驅動力。

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從對數圖上看, 摩爾定律不但沒有死,而且活的很好,晶體管密度還在增加,而且在可預見的未來內還會繼續增加,至于時鐘速度和運行效率等人們同樣關心的新屬性,實際上超出了摩爾定律的范圍。

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進入AI和5G時代,“內存墻”問題日益突出,海量數據的流動和轉移的需求越來越高,內存訪問決定了計算的能源效率。

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深度神經網絡需要大量的內存容量,而且內存緊缺的問題將來還會更加突出。芯片上需要更多數量的SRAM,但永遠都不夠, 重要的是什么樣的內存。

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現有的系統中,大部分都是2D和2.5D,用的是TSV,我們需要再向前邁進一步,進入3D。

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而下一步就是Beyond 3D,它實現了邏輯和內存的多層整合,在納米級尺度上實現了高密度的TSV工藝,即“N3XT級”系統。

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下一代內存需要具備高帶寬、高容量,而且需要在片上。

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研究表明,具備上述條件的內存可以使系統級收益增加近2000倍,當然,以現有技術很難實現。在上層很難構建高性能晶體管,因為制造時需要1000度高溫條件,內存層會融化。

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要想實現上面說的理想的系統,需要超薄的設備層和較低的制造溫度。

近年來,晶體管技術實現了不少進步,出現了2D層材料過度金屬設計,1D碳納米管設計等,這些材料非常輕薄,大大降低了晶體管的溝道寬度,但仍保持高遷移率水平。

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實現內存與邏輯平臺在3D架構下的整合,讓晶體管與制造技術的進步成為一個連續的統一體。

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而要實現這一目標,各自為戰是不行的。這需要 系統工程師和開發人員的密切合作,需要硬件設備制造技術和需求的更緊密的交流,需要學術界與產業界建立更加緊密的聯系。

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