ISSCC 2024臺(tái)積電談萬億晶體管，3nm將導(dǎo)入汽車

臺(tái)積電推出更先進(jìn)封裝平臺(tái)，晶體管可增加到1萬億個(gè)。

在ISSCC 2024上，臺(tái)積電正式公布了其新的先進(jìn)封裝平臺(tái)，該技術(shù)有望將晶體管數(shù)量從目前的1000億提升到1萬億。

臺(tái)積電業(yè)務(wù)開發(fā)資深副總裁張曉強(qiáng)（Kevin Zhang）在國際固態(tài)電路大會(huì)ISSCC 2024 介紹公司最新技術(shù)，并分享未來技術(shù)演進(jìn)、對于先進(jìn)制程展望，以及各領(lǐng)域中所需要的最新半導(dǎo)體技術(shù)。

Kevin Zhang指出，隨著ChatGPT、Wi-Fi 7 出現(xiàn)，已經(jīng)需要大量半導(dǎo)體，我們也進(jìn)入半導(dǎo)體高速成長期。在車用部分，汽車產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷一場革命，許多人說新的汽車將是定義軟件，但他覺得是“硅定義汽車（silicon-defined automotive）”，因?yàn)檐浖枰诠枭线\(yùn)作，推動(dòng)未來的自動(dòng)駕駛能力。

本文整理了Kevin Zhang的演講內(nèi)容。

從高性能計(jì)算、AI機(jī)器學(xué)習(xí)到通信，從交通到醫(yī)療保健，凡是目之所及都與半導(dǎo)體相關(guān)。Kevin Zhang最開始從商業(yè)的角度談了半導(dǎo)體。

正如我們今天所見，全球半導(dǎo)體收入大約在五千億美元。業(yè)內(nèi)都認(rèn)為，到了本十年末，這個(gè)數(shù)字將翻一番。但Kevin Zhang在這里加上一個(gè)限定詞：隨著人工智能的激增。一萬億數(shù)字并不能反映出Open AI的Sam Altman計(jì)劃投資半導(dǎo)體的數(shù)萬億。這個(gè)不算最新的預(yù)測。AMD的Lisa SU認(rèn)為，到2028年，僅人工智能市場就能夠達(dá)到4000億美元。

Kevin Zhang說到：“沒有人能夠確切的知道人工智能將如何塑造這條增長曲線。只有一件事能夠確定，我們正在進(jìn)入半導(dǎo)體的加速增長期?！?/p>

如果更深入的了解這個(gè)潛在的萬億市場的高點(diǎn)，高性能計(jì)算將占據(jù)40%的份額，超過移動(dòng)設(shè)備成為第一大領(lǐng)域。在幾年前，如果說到與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，那是不可想象的。因?yàn)閭鹘y(tǒng)觀點(diǎn)始終認(rèn)為，邊緣設(shè)備是用戶消費(fèi)數(shù)據(jù)的地方，但是到了現(xiàn)在有了AI。

當(dāng)談到AI，那不可避免的需要談到Chat GPT。自從一年半以前Chat GPT推出以來，我們已經(jīng)看到半導(dǎo)體行業(yè)的格局正在發(fā)生變化。

看圖上陡峭的曲線，這背后其實(shí)是對算力的永不滿足。因此，英偉達(dá)首席執(zhí)行官黃仁勛曾說到：“Chat GPT是人工智能的iphone 時(shí)刻?！蔽覀兛梢允褂貌煌姆绞矫枋鯝I，但確定的是，AI需要大量先進(jìn)的半導(dǎo)體，這個(gè)需求數(shù)超越人們的想象。

之后，Kevin Zhang也談到了無線通信。通信在生活中非常的重要，上圖展示了三種通信技術(shù)：蜂窩、WI-FI、藍(lán)牙。正如所見，所有高級(jí)標(biāo)準(zhǔn)都需要更高的數(shù)據(jù)速率，更先進(jìn)的信號(hào)處理，這將繼續(xù)推動(dòng)加速采用先進(jìn)的技術(shù)，例如Wi-Fi 7。臺(tái)積電今年也正在著手生產(chǎn)Wi-Fi 7的產(chǎn)品。從一開始，Wi-Fi 7的產(chǎn)品就必須采用7nm技術(shù)才能夠達(dá)到功耗性能目標(biāo)。



在汽車領(lǐng)域，汽車正在經(jīng)歷一場根本性的革命。很多人認(rèn)為新汽車將是軟件定義汽車，但Kevin Zhang認(rèn)為更好的術(shù)語是：“硅定義汽車（silicon-defined automotive）”。因?yàn)樗械能浖急仨氃诠枭线\(yùn)行。無論是傳感器、通信、網(wǎng)絡(luò)都在推動(dòng)最先進(jìn)的半導(dǎo)體自主的向前發(fā)展技術(shù)。



在談技術(shù)前，Kevin Zhang還花費(fèi)了時(shí)間談到了半導(dǎo)體行業(yè)業(yè)務(wù)的創(chuàng)新——純代工業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，這項(xiàng)創(chuàng)新從根本上改變了半導(dǎo)體行業(yè)的格局。通過從傳統(tǒng)的IDM模式中剔除非常復(fù)雜、成本高昂的晶圓制造，讓無晶圓企業(yè)能夠?qū)Ｗa(chǎn)品開發(fā)和創(chuàng)新。與代工廠的合作，共同極大的加速了行業(yè)的創(chuàng)新。

由于代工廠的引入，出現(xiàn)了很多新玩家?？爝M(jìn)到2030年，如上圖所見，超過50%的半導(dǎo)體收入由優(yōu)秀的無晶圓公司、系統(tǒng)公司或云公司貢獻(xiàn)。這些都是因?yàn)闃I(yè)務(wù)創(chuàng)新、代工廠的出現(xiàn)。

之后，Kevin Zhang開始談到了本次演講的重點(diǎn)：先進(jìn)技術(shù)。Kevin Zhang認(rèn)為，晶體管仍然是創(chuàng)新的核心，即硅創(chuàng)新（silicon innovation）。幾十年來，晶體管經(jīng)歷了多次重大的演變。如上圖可見，早期的晶體管創(chuàng)新主要集中在圍繞幾何減少，但現(xiàn)在情況不再如此。最近一代，一切都集中在晶體管架構(gòu)的創(chuàng)新以及新材料的使用上。

比如說，16nm將從平面晶體管轉(zhuǎn)向FinFET晶體管。今天，臺(tái)積電在2nm層面即將推出一種全新的晶體管：Nanosheet?？梢詷O大的改善設(shè)備的漏電，提高傳導(dǎo)能力，并且在更低的電壓下更好的工作。這對于高性能計(jì)算來說非常重要。

圖案化技術(shù)方面，7納米中，EUV的引入為我們鋪平了道路，推動(dòng)幾何縮放向前發(fā)展。很多人會(huì)問：下一步是什么？Kevin Zhang表示，下一步需要利用Nanosheet，經(jīng)過幾代人的努力獲得最佳值，即這個(gè)新晶體管的極限。與此同時(shí)，臺(tái)積電也在忙于制造全新的晶體管架構(gòu)：CFET。本質(zhì)上，是通過將N-transistor、NMOS和PMOS堆疊在一起，可以將密度大大提高近兩倍。

在材料方面，臺(tái)積電也致力于新材料，例如一種低維材料，通過使用這種新材料，我們可以實(shí)現(xiàn)更加節(jié)能的目標(biāo)，遠(yuǎn)超當(dāng)今的器件或者晶體管。

進(jìn)一步了解CFET可以帶來的好處，如上圖可見，CFET（互補(bǔ)式場效晶體管CFET）是將nMOS和pMOS 垂直堆疊，可大幅改善零組件電流，使晶體管密度提升1.5~2 倍。

這項(xiàng)技術(shù)將硅（Si）和鍺（Ge）等不同材料從上下方堆疊，使p型和n型的場效晶體管更靠近。通過這種疊加方式，CFET 消除n to p 分開的瓶頸，將運(yùn)作單元活動(dòng)區(qū)域（cell active area）面積減少2 倍。

Kevin Zhang展示了一張圖片，指出這并不是僅僅在PPT上的想法。從上圖可以看到，這是臺(tái)積電實(shí)驗(yàn)室制造的真正集成設(shè)備，還有晶體管IV優(yōu)美的曲線。就推動(dòng)創(chuàng)新而言，這是晶體管架構(gòu)的一個(gè)重要里程碑。

隨著晶體管尺寸的縮小，繼續(xù)縮小晶體管的幾何形狀變得越來越困難，成本也越來越高。設(shè)計(jì)師和工程師必須共同努力才能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品層面效益的最佳縮放。因此，臺(tái)積電經(jīng)常將其成為設(shè)計(jì)技術(shù)聯(lián)合組織，或DTCO。

上圖展示了一個(gè)基于FinFET技術(shù)的數(shù)學(xué)圖書館設(shè)計(jì)示例。通過使用D-POP技術(shù)，減少每個(gè)部分的鰭片數(shù)量，可以在減小幾何尺寸的同時(shí)降低功耗。但是當(dāng)每個(gè)設(shè)備達(dá)到兩個(gè)鰭片式，設(shè)計(jì)人員會(huì)面臨困境。

通過DTCO，臺(tái)積電的設(shè)計(jì)和技術(shù)團(tuán)隊(duì)共同努力，創(chuàng)新的提出了FinFlex的新想法。本質(zhì)上，允許設(shè)計(jì)人員混合和匹配單鰭器件、雙鰭器件或者雙鰭器件和三鰭器件，因此我們可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳的性能、密度和功耗。

另一個(gè)很好的例子是SRAM位單元。上圖展示了SRAM從130nm一直到今天的3nm，實(shí)現(xiàn)了超過100倍的密度提升，這種規(guī)?；瘜?shí)際上是流程創(chuàng)新和協(xié)作結(jié)合的成果，采用更先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)。

說到SRAM，就不得不談到最低工作電壓，或者說Vmin。在過去很長時(shí)間，為了降低電壓，必須采用更大的存儲(chǔ)單元。通過應(yīng)用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)技術(shù)，我們可以實(shí)現(xiàn)超過300毫伏的Vmin改善，這對于低功耗運(yùn)行非常重要。

技術(shù)擴(kuò)展的本質(zhì)是為了節(jié)能計(jì)算。整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)走了很長一段路。上圖展示十年多的規(guī)模，臺(tái)積電實(shí)現(xiàn)了超過80倍的能源效率。

關(guān)于HPC和AI方面，如果看看今天所有的人工智能加速器，無論是GPU還是TPU或者是定制的ASIC，這些本質(zhì)上是具有某種特定的集成方案?；旧?，使用CowoS技術(shù)帶來的先進(jìn)芯片。如今主要是5nm技術(shù)和HBM在一起，Kevin Zhang認(rèn)為這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

展望未來，這個(gè)平臺(tái)需要大幅提升以滿足高性能計(jì)算的需求。因此，這種配置的核心實(shí)際上是更高密度、低能耗的計(jì)算。需要去棧才能達(dá)到計(jì)算密度，需要多個(gè)最先進(jìn)的芯片垂直堆疊在一起，以提供所需的計(jì)算密度。并且還需要大量的內(nèi)存，因此需要加入更多的HBM。這就是為什么，硅中介層和CoWoS必須進(jìn)一步擴(kuò)展。

這仍然不夠，電力傳輸是一個(gè)問題，因此需要集成穩(wěn)壓器才能解決電力輸送的挑戰(zhàn)。I/O和帶寬互聯(lián)密度也是一個(gè)問題，因此需要將硅光子學(xué)引入封裝中，這就是未來的發(fā)展方向。

談一談3D堆疊，上圖展示了互連密度。我們進(jìn)行堆疊的原因是為了實(shí)現(xiàn)芯片到芯片之間的高密度互連。圖中的曲線頂部曲線是SoC，本質(zhì)上是單片互連。底部曲線是常規(guī)封裝能夠達(dá)到的密度。中間部分是CoWoS封裝。

談到3D 堆疊，Kevin Zhang展示一張圖，并表示為達(dá)到更高的互連密度（Interconnect Density），即Chip To Chip 連結(jié)，透過3D 堆疊可以使接合的Pitch 一路縮小到幾微米，實(shí)現(xiàn)單晶（Monolithic）的互連密度，“所以3D堆疊才是未來”。

談到硅光子/共封裝光學(xué)（CPO）方面，Kevin Zhang指出，電子擅長運(yùn)算，但光子在信號(hào)或通信時(shí)比較好。他以50T交換機(jī)舉例，如果全都用電子并采用銅線材質(zhì)的系統(tǒng)，會(huì)燒掉2,400 W。

目前解決方案是采用插拔式模組（Pluggable），可省下40% 功耗（> 1500W），但隨著未來需要更高速信號(hào)、更大頻寬，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此需要把硅光子技術(shù)把光子能力帶進(jìn)來。使用共封裝光學(xué)的先進(jìn)封裝技術(shù)來正確實(shí)現(xiàn)光子功能。

在圖示中，需要用先進(jìn)堆疊技術(shù)，把光子芯片和電子芯片堆疊，可使功耗可再降低50%，約5 皮焦耳（picojoules per bit），使功耗約在850W。

如今，使用最先進(jìn)的晶體管技術(shù)，我們可以將大約1000億個(gè)晶體管封裝在同一個(gè)芯片中，但這還不足以解決未來的AI機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用。必須利用先進(jìn)的3D封裝技術(shù)，才能夠?qū)⒕w管的數(shù)量真正增加到一萬億個(gè)，以滿足計(jì)算需求。

談到蜂窩射頻方面，他提到，當(dāng)從4G向5G過渡時(shí)，為了將數(shù)據(jù)速率提高十倍，需要結(jié)合更多的數(shù)字電路，比如先進(jìn)的ADC、先進(jìn)的信號(hào)處理能力。在這樣做時(shí)，射頻設(shè)計(jì)、射頻收發(fā)器設(shè)計(jì)都可從28nm發(fā)展到16nm中收益。

如果展望未來，比如6G，就需要覆蓋更廣泛的頻率范圍，與FR3一樣需要提高數(shù)據(jù)速率。這就需要更先進(jìn)的半導(dǎo)體，因此未來收發(fā)器的設(shè)計(jì)，如果使用7nm、5nm不必感到太過驚訝。

談到汽車方面，從根本上看，最新的汽車技術(shù)需要大量運(yùn)算能力，但功耗正成為問題，尤其是由電池供電的汽車。

Kevin Zhang認(rèn)為，車用半導(dǎo)體技術(shù)在導(dǎo)入上一直落后消費(fèi)性或HPC 幾個(gè)世代，是因?yàn)榉浅Ｐ枰獓?yán)格的安全性要求，汽車應(yīng)用的DPPM（缺陷率）必須接近零，也因此晶圓廠、半導(dǎo)體制造和汽車設(shè)計(jì)人員必須更密切地合作，以加快這個(gè)速度。

臺(tái)積電正在預(yù)先應(yīng)用自動(dòng)設(shè)計(jì)規(guī)則降低缺陷密度，Kevin Zhang承諾到：“在不久之后，你們會(huì)看到3nm導(dǎo)入汽車?！?/p>

談到MCU方面，MCU在汽車轉(zhuǎn)型為區(qū)域架構(gòu)后變更重要，也需要先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)給MCU 提供運(yùn)算能力。傳統(tǒng)MCU 大都采用浮動(dòng)閘極（floating gate）為基礎(chǔ)的技術(shù)，但浮動(dòng)閘極技術(shù)在28 nm以下就卡關(guān)，所幸業(yè)界已經(jīng)投資新內(nèi)存技術(shù)，包括新的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器如磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）或電阻式存儲(chǔ)器（RRAM）。

也因此，從MCU 轉(zhuǎn)移到MRAM、RRAM為基礎(chǔ)的技術(shù)，有助于推動(dòng)技術(shù)持續(xù)微縮，從28 nm縮小到16 nm、甚至是7 nm。

傳感器和顯示器方面，傳感器技術(shù)從最簡單的2D 設(shè)計(jì)、單層設(shè)計(jì)，到現(xiàn)在3D 晶圓堆疊的智能系統(tǒng)，基本上將信號(hào)處理層疊在傳感層上。Kevin Zhang也表示：“我們技術(shù)已經(jīng)開始投資、研究多層設(shè)計(jì)的技術(shù)。”

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進(jìn)行三層或多層設(shè)計(jì)能追求畫素最佳化，繼續(xù)推動(dòng)畫素尺寸縮小同時(shí)兼顧解析度需求，也能同時(shí)達(dá)到最佳傳感能力；另一個(gè)例子是AR、VR，透過將不同層的存儲(chǔ)器分開，再堆疊到其他邏輯芯片，可有效縮小尺寸，同時(shí)維持高效能需求。

最后Kevin Zhang分享自己的故事，他表示7 年前離開當(dāng)時(shí)最大的半導(dǎo)體公司，去了中國臺(tái)灣。他離開的時(shí)候心想，他的半導(dǎo)體黃金時(shí)代已經(jīng)過去了，去亞洲是要迎接職涯的日落時(shí)刻，但時(shí)間快轉(zhuǎn)7 年后，他表示：“我沒看到日落，而是明亮的日出。隨著AI 出現(xiàn)，半導(dǎo)體將驅(qū)動(dòng)許多新應(yīng)用，觸及人類生活每一個(gè)面向，并改變?nèi)祟悮v史的軌跡，所以我看到明亮、黃金的全新時(shí)刻，我們最好的日子還在前頭，讓我們一起努力使其成真。”

審核編輯：劉清