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手机芯片的未来

我们生活在由计算机电路驱动的世界。现代生活依赖于半导体芯片和硅基集成电路上的晶体管,它们可以开关电子信号。大多数晶体管使用丰富而廉价的硅元素,因为它既可以阻止也可以允许电流流动,它既是绝缘体又是半导体。直到最近,硅芯片上的微型晶体管每年的体积都缩小一半。它造就了现代数字时代,但这个时代可能迎来新的发展。随着物联网人工智能机器人技术、自动驾驶汽车5G和6G手机这些计算密集型工作的问世,芯片科技的未来又将迈入一个新的节点,也面临着新的突破,那么接下来发展的方向是什么呢?

手机芯片更新中的摩尔定律

在手机芯片技术标准中经常提到的如20nm、16nm、10nm 7nm这些数值指的是处理器的蚀刻尺寸,就是把一个单位的电晶体刻在一块芯片上的大小。

手机处理器与电脑处理器不一样,因为手机本身就很小,放置CPU的位置也是比较小的,在固定大小的位置上,如果蚀刻尺寸的越小,那么拥有的计算单元也就会越多,从而性能就会越强,所以现在许多厂商在制程工艺上大力研发,只为让CPU拥有更好的性能。此外,更先进的蚀刻技术也可以减小晶体管间电阻,让CPU所需的电压降低,从而使驱动它们所需要的功率也大幅度减小。处理器作为手机最核心的零件,其性能的好坏,在一定程度上会直接影响到手机的使用体验,CPU性能的提升会带动屏幕分辨率、镜头像素的提升,因为有了更高的运算速度,才能支持更大分辨率的图像输出以及更强的相机算法。

现如今开放市场上形成竞争之势的手机CPU工艺研发工厂主要有两家,分别是台积电三星。它们形成一定良性竞争的市场环境,促进整个技术领域的不断进步。如今的旗舰手机的CPU已经是7nm的制作工艺,如华为的麒麟980,iPhoneX的A12 等等,5nm工艺已经开始试产。全球顶尖的晶圆代工厂台积电已经宣布计划在台湾建设3纳米制程厂。

英特尔联合创始人戈登·摩尔1965年提出的“一英寸计算机芯片上的晶体管数量每年翻一番,而成本则减半”的摩尔定律。走到今天,这个更新周期时间是18个月,而且越来越长。增长的时间意味着未来的密集计算应用可能受到威胁。

 一部智能手机包含超过2000亿个晶体管。

手机芯片技术发展

芯片技术爆发的未来新一代晶体管可能会出自英特尔、三星 、台积电的不同制造商,半导体工艺持续朝着难以突破的技术方向发展。近期的解决方案是把当初电晶体的平面结构转化为立体结构,也就是所谓的FinFET,同时,处理器的发展很大寄托于新的蚀刻工艺,即极紫外光刻EUV),可以切割出更细的电晶体结构.

在今年在比利时安特卫普(ANTWERP)举行的Imec年度技术论坛(Imec Technology Forum,ITF)上,研究人员列出形容为“寒武纪生命大爆发”(Cambrian explosion)的硅芯片技术演进选项,涵盖了各种新的晶体管、材料、架构以及封装技术。根据预测,半导体工艺特征尺寸在接下来几个节点会继续以个位数纳米微缩,但在2纳米节点的40纳米闸极长度与16纳米金属间距之后,恐怕不会再往下缩小。专注于为移动装置应用缩小芯片占位面积以及功耗的IC厂商,或许会寄希望于FinFET有多久,但最渴望芯片性能提升的业者,将最早转向纳米片架构。

纳米片架构预期会在频率上带来8%的提升,但需要牺牲面积缩小。纳米片结构晶体管会出现称之为“叉形片”(forksheet)的中期产物,这种设计仍在定义中,是将n型与p型单元更紧密地靠在一起;而终极的小巧晶体管是互补或垂直FET,藉由堆栈n型与p型单元以降至4轨(tracks)甚至3轨。此过程中,或许会尝试将介电值(k)降低至3.3甚至是大幅超越锗(germanium,Ge)晶体管结构。纳米片(NS)结构晶体管性能预期在未来的每一个节点都会超越FinFET (FF)。

全新的SoC

一些新兴的晶圆、芯片与晶体管堆栈方案将带来额外吸引力,基本上是将传统的系统单芯片(SoC)彻底改造。不过这类技术在组件对准以及冷却方面会面临挑战,特别是预期功率耗散达到500W以上的设计。Imec将这种“砍掉重练”的SoC结构称为序列3D (sequential 3D),能分别为不同的电源、逻辑与内存电路需求进行设计并优化。其中一个版本将电力传递电路放在削薄至几百纳米厚度的晶圆片背面,以微小的硅穿孔进行连结。更大胆的版本是将SRAM高速缓存,放置在乘载晶圆的核心电路上方,再以铜接合(copper-to-copper bonding)。最后的序列3D是一个三明治结构:SRAM数组在最底部、电源电路在最上方,核心逻辑夹在中间;如此将SRAM最大化,同时又能降低成本。

新封装技术

除了芯片工艺,英特尔(Intel)在研发嵌入式多芯片互连桥接技术(EMIB)的“便宜版”,也就是将桥接基板整合至封装中。其他技术选项包括利用数百微米、数十纳米尺寸的互连。因为密集的芯片堆栈会产生耗散数百瓦功率的组件,有正在寻求的以3D打印的“塑料瓶盖”开发液态冷却方法。晶圆片、裸晶与晶体管封装选项涵盖很多微米到几纳米的范围。其封装技术蓝图仍面临一些设备功能上的差距,而且支持完整签核功能的EDA工具也还没到位,但已经看到不错的进展。各种变化代表了传统半导体正在演化而非终结;旧的处理器会与针对特定领域的新一代加速器共存,像是微软数据A利用x86处理器与FPGA组合方案。

冷计算

一些研究人员正在研究用更少的能量获得高性能计算机的新方法。数据中心或超级计算机的冷运行可以带来显著的性能、功耗和成本优势。微软的Natick项目就是一个例子,作为该项目的一部分,一个巨大的数据中心沉入了苏格兰奥克尼群岛海岸,但这只是一小步。进一步降低温度意味着漏电流更少,晶体管开关的阈值电压更低。它减少了延伸摩尔定律的一些挑战。对于这些类型的系统来说,自然的操作温度是77K(-270℃)的液氮。大气中含有丰富的氮,以液态形式收集相对便宜,而且是一种有效的冷却介质。设计希望在内存性能和功耗方面能再延长4-10年的时间。

 作为Natick项目的一部分,微软在大西洋沉入了一个数据中心。

量子计算

当你可以拥有量子世界的叠加和纠缠现象时,谁还需要经典计算机系统的开关状态呢?IBM、谷歌、英特尔和其他公司都在竞相使用量子比特(又称“qubits”)来制造具有强大处理能力的量子计算机,其处理能力远远超过硅晶体管。问题是,在实现量子计算的潜力之前,量子物理学家和计算机架构师要实现许多突破,有一个简单的测试,量子计算界的一些人认为,在量子计算机问世之前,需要满足他们的要求:“量子至上”。这只是意味着,在摩尔定律的道路上,量子机器比传统半导体处理器更擅长完成特定的任务。到目前为止,实现这一目标仍然遥不可及。

英特尔的工作

由于英特尔是制造硅晶体管的先驱,因此英特尔在硅基量子计算研究方面投入巨资也就不足为奇了。除了投资扩大需要在极低温度下存储的超导量子比特外,英特尔还在研究一种替代方法。替代架构基于‘自旋量子比特’,在硅片中运行。自旋量子比特使用微波脉冲来控制硅基器件上单个电子的自旋,英特尔最近在其最新的“世界最小的量子芯片”上使用了自旋量子比特。至关重要的是,它使用硅和现有的商业制造方法。

英特尔的自旋量子比特。

自旋量子比特可以克服超导方法带来的一些挑战,因为它们的物理尺寸更小,更容易微缩,而且可以在更高的温度下工作。更重要的是,自旋量子比特处理器的设计类似于传统的硅晶体管技术。然而,英特尔的自旋量子比特系统仍然只能接近绝对零度;冷计算将与量子计算机的发展密切相关。与此同时,IBM有一个50比特的处理器Q,而谷歌量子AI实验室有72比特的Bristlecone处理器。

新材料

化合物半导体

下一代半导体由两种或两种以上的元素组成,这些元素的特性使它们比硅更快、效率更高。这是“机会”,它们已经在使用,并将有助于创建5G和6G手机。化合物半导体结合了元素周期表中的两种或多种元素,例如镓和氮,形成氮化镓。这些材料在速度、延迟、光检测和发射等方面都优于硅,这将有助于实现5G和自动驾驶汽车等应用。

化合物半导体将进入5G手机。尽管它们可能与普通硅芯片一起使用,但化合物半导体将进入5G和6G手机,本质上使它们足够快、足够小,同时还具有良好的电池寿命。化合物半导体的出现改变了游戏规则,它有潜力带来变革,就像互联网变革通讯领域一样。这是因为,化合物半导体的速度可能比硅快100倍,因此可以为物联网增长带来的器件激增提供动力。

在迈向1-2纳米节点的旅程中会需要换掉铜与钴,可能会改用钌(ruthenium)──这种材料能让目前用以避免金属扩散至硅氧化层的金属屏障薄化

石墨烯和碳纳米管

这些所谓的神奇材料有朝一日可能会取代硅。它们现有的电气、机械和热学特性远远超出了硅基器件所能达到的水平。但可能需要很多年才能准备好迎接黄金时代。硅基器件经过了几十年的改进,并随着相关制造技术的发展而发展。石墨烯和碳纳米管仍处于这一旅程的起点,如果它们要在未来取代硅,实现这一目标所需的制造工具仍然需要开发。

如今摩尔定律受到挑战,芯片升级速度变慢,硅芯片需要帮助。在越来越多的需要提高速度、减少延迟和光检测的应用中,硅正在达到其性能的极限。现在谈论硅的替代物还为时过早。硅将被完全取代,但是这在短期内不太可能发生,很可能永远不会发生。至少在2025年之前,摩尔定律式的业绩提升仍有潜力。直到20世纪40年代,硅仍将主导芯片市场。但是硅的潜力正在正在接近极限,这场超越硅的竞赛正在进行。

原子时代

无论其他材料的前景如何,我们现在正处于原子时代。每个人都在考虑原子。我们的进展现在已经到了单个原子计数的阶段,甚至存储正在寻找在原子水平上工作的方法——IBM已经展示了在单个原子上存储数据的可能途径。今天,创建1或0,即用来存储数据的二进制数字,需要10万个原子。

然而,这里的问题。作为存储或传输信息的手段,原子本质上不太稳定,这意味着需要更多的逻辑来纠正错误。因此,未来的计算机系统很可能是各种技术的叠加,每一种技术都是为了弥补另一种技术的缺点。化合物半导体、量子计算和冷计算都有可能在研发中发挥重要作用。计算机的未来很可能会出现机器的层级结构,但到目前为止,没有人知道明天的计算机会是什么样子。人类对计算需求的增长趋势可追溯到算盘、机械计算器和真空管,并可能远远超出半导体,包括超导体和量子力学。虽然摩尔定律将会终结,但指数计算能力的长期和持久趋势很可能不会终结。

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