[原创] 资深专家眼中的集成电路未来

历经数十年的发展之后，集成电路产业发生了很多变化。例如芯片公司从最早的IDM为主发展到现在的Fabless成为主流。再如凭借CPU豪占半导体企业营收头把交易的Intel被依仗存储壮大的三星赶下马。又如之前被集成电路产业人员奉为金科玉律的摩尔定律，因为材料和技术的限制，逐渐失去了往日的风采。另外还有技术的更迭、材料的革新和架构的演变，集成电路产业开始呈现出了全新的形态。

在这个新技术和创意频发的时代，集成电路产业将迎来新的时代。在近日于南京举办的“2018中国集成电路技术应用研讨会暨南京国际集成电路技术达摩论坛”上，来自产业研的专家就集成电路产业的未来发展，给出了他们的观点。

许居衍：AI芯片的未来靠架构创新

根据摩尔定律的定义，芯片的集成度每18个月会提升一倍，性能也会提升一倍，与此同时，单晶体管的成本就会下降。换句话说就是每一美元买到的芯片性能提升一倍。这个在过去几十年基本都是通过晶体管微缩实现的。但在多方因素的影响下，制程推进已经脱离了摩尔定律的规律。业界围绕着摩尔定律的生死，也有了很多的讨论。

中国工程院院士许居衍院士认为，摩尔定律已经死了，这就使得类似AI这样对芯片性能要求比较高的应用给集成电路带来巨大的压力。他指出，虽然英伟达、谷歌和寒武纪等一众厂商都投入了AI芯片市场，无论是FPGA或者ASIC，都凭借各自的优势，在AI市场并获得了不错的表现，其中尤以英伟达凭借GPU在AI训练市场表现出色最为亮眼。但他认为，片上系统的存在让计算变得无处不在，算力的持续提升让它到达了一个拐点（Volta GPU的性能与2014年的超级机差不多）。在这个环境下，芯片需要从架构上创新，才能满足性能需求。许居衍院士强调。

在他看来，芯片的编程技术在过去的发展中经历了几波浪潮，第一波就是封装编程，那时候的“芯片”是算法固定、资源固定；到后来英特尔制造出MPU之后，则迎来了软件编程，这时候任何一个算法进来，芯片都能应付得来，这时候的特点是算法可变，资源固定； 之后就迎来了算法可变、资源可变的硬件编程。但他认为，受限于硅技术瓶颈和冯诺依曼架构的指令流导致算力上不去的问题，未来的芯片架构需要创新。系统视野、多片与堆叠架构、异构架构就是许院士看好的方向，用户可重构SoC则是他推崇的一个选择。

许居衍院士表示，可重构的SoC性能能够超过FPGA，且非常灵活、安全、低成本，这就使他能够从资源配置上满足更多的需求，是我们应该关注的发展方向。而国内的也有了清华Thinker和南大RASP可重构芯片，这是值得称赞的。但许院士也强调，可重构计算面临多样化的挑战，需要我们正确对待。

张卫：半浮栅器件是存储器的新选择

最近两年，因为疯狂涨价，大家对Flash和DRAM为代表的存储器市场有了更多的关注。据复旦大学微电子学院执行院长张卫介绍，2017年，全球存储器的销量为1240亿美元，同比增长了61.5%。这主要是由DRAM和NAND Flash贡献的。

从数据上看，存储器的使用量正在攀升。从应用上看，存储也是所有产品必须的。但是存储却面临这各样的瓶颈。以DRAM为例，这个最大的单一集成电路产品（去年创造了700多亿美元的营收）因为受到了电容瓶颈等限制，存储电容越来越小，导致数据保留时间缩短，功耗增加。另外，由于阵列晶体管驱动电流太小，漏电流也增大了。各种各样的原因综合，使得原本和逻辑器件一样遵循摩尔定律微缩的DRAM一直停留在17nm。

看到这种趋势，业界很多人已经PCM、MRAM和RRAM这些新型存储器探索。但因为各自的问题和限制，都没取得太大的突破。

譬如颇受大家欢迎的RRAM，因为导电filament行程的随机性的存在，直接就制约了RRAM的产业化。为了推动整个产业发展，张卫团队推出了一种称为半浮栅器件的产品。

我们平时所用的是“非挥发性存储器”，意思就是芯片在没有供电的情况下，信息仍能被保存而不会丢失。这种器件在写入和擦除时都需要有电流通过一层接近5纳米厚的氧化硅介质，因此需要较高的操作电压（接近20伏）和较长的时间（微秒级）。张卫团队则巧妙地通过一个隧穿二极管把浮极和栅极连起来，用隧穿二极管来控制对浮栅的充放电，从而构成了一个存储器，这就是他们所说的半浮栅器件。这种器件具有速度快、面积小、低功耗，且与标准CMOS工艺兼容，不需要集成新材料等优势，在海内外获得了高度认可。

张卫表示，目前他们已经基于上海华为微电子公司的40nm工艺平台，完成了8M基于半浮栅器件的高速低功耗缓存芯片的设计与制造，测试结果也达到了设计要求。在他看来，这个产品将会是我国存储发展的一个新机遇。

宋继强：摩尔定律将继续有效

无论其他人怎么看摩尔定律，英特尔方面始终对其充满着信心。在日前的大会上，英特尔中国研究院院长宋继强继续强调：“于摩尔定律本身，我们可以把他看成是经济上的一个观察。它的经济效益还是继续存在，虽然这个速度不会像以前那么快。但我们认为，这个经济效益将持续存在”。坚信CMOS还能缩放，是他对摩尔定律还有信心的一个重要原因。

宋继强表示，现在的CMOS微缩还远远没有到物理极限这个程度，依然可以继续往下走。但和以前不一样，现在的微缩碰到了如何实现大批量、高精度芯片生产的问题。而新的3D工艺技术，新的材料将会成为继续微缩的动力。如三五族晶体管、纳米线晶体管和铁电体就是当中的选择。

不过他也指出，虽然这些新的材料有很好的特性，但目前来说还没有一个能够作为CMOS的替代品。但为了获得性能提升，英特尔通过异构的方式把CMOS等器件整合在一起，同时再加上一些新算法功能的处理、数据处理模块、清晰的处理架构去获得性能上的提升。获得经济效益的提升，延续摩尔定律。

MIX & MATCH （混搭）则是英特尔延续摩尔定律寿命的另一个招数。

按照宋继强的说法，所谓混搭是把不同制程下的芯片放到一起，将它封装集成起来。这种技术可以根据需要封装不同的CPU核心、IO、GPU核心甚至FPGA、AI芯片，帮助英特尔灵活应对不同业务的需求，进一步提升经济效益。为了达成这样的设计，需要有很好的连接技术和功耗管理技术，而英特尔在上面已经有了很深的积累。

进一步增大硅片的面积，则是又一个新方向。

宋继强告诉半导体行业观察记者，把硅片从300毫米增加到450毫米虽然增加了单一硅晶圆的成本，但因为我们获得了更多芯片数量，综合计算下来，单个芯片的价格还是继续在下降，这也是符合摩尔定律的规定的。

来到新工艺方面，宋继强表示，由于在10纳米上采用了几种新的方法，目前已可以看到比较好的良率。在他看来，英特尔明年在10nm上将有更有高的良率，届时将有大批量的10纳米的产品面世。至于7纳米的话，基于10纳米的技术积累和经验，他非常看好英特尔未来的工艺走势。

大家对此又是怎么看的呢？