2016年發(fā)布ITRS做出預(yù)測(cè),晶體管的尺寸可能將在5年后停止縮減

2016年7月正式發(fā)布的2015年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS）做出預(yù)測(cè)，經(jīng)歷了50多年的微型化，晶體管的尺寸可能將在5年后停止縮減。

該報(bào)告預(yù)測(cè)，2021年之后，對(duì)各公司來(lái)說(shuō)，繼續(xù)縮小微處理器中的晶體管將不再是一種經(jīng)濟(jì)的做法。芯片制造商們將轉(zhuǎn)而采用其他方式提高晶體管密度，即將晶體管布置結(jié)構(gòu)從水平變成垂直，建立層層相疊的多層電路。

一些人認(rèn)為，這種變化可能再一次給摩爾定律敲響了喪鐘；晶體管密度曾經(jīng)遵循摩爾定律而不斷翻倍，我們才有了今天這種極其強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。雪上加霜的是，這是最后一份ITRS路線圖。這項(xiàng)協(xié)調(diào)規(guī)劃于1993年始于美國(guó)，然后擴(kuò)展到了世界其他地區(qū)，現(xiàn)在走到了終點(diǎn)。

半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)（Semiconductor Industry Association）是一家位于華盛頓特區(qū)，代表IBM、英特爾及其他公司利益的美國(guó)貿(mào)易團(tuán)體，也是ITRS的主要贊助商。該協(xié)會(huì)表示，在行業(yè)參與度下降、企業(yè)參與其他計(jì)劃的興趣增強(qiáng)的情況下，它將發(fā)揮自己的作用，與另一家行業(yè)組織——半導(dǎo)體研究公司（SemiconductorResearch Corp.）合作，為政府和行業(yè)資助項(xiàng)目確定應(yīng)該優(yōu)先做哪些研究。預(yù)計(jì)其他ITRS參與者將在新名稱下開(kāi)展新的路線圖工作，作為IEEE“重啟計(jì)算”（RebootingComputing）計(jì)劃的一部分。

這些路線圖變化看似是無(wú)關(guān)緊要的管理變動(dòng)，但是，“在行業(yè)里，這是一場(chǎng)重大破壞，或者說(shuō)是地震”，市場(chǎng)分析公司VLSI研究公司（位于加州圣何塞）的首席執(zhí)行官丹?哈奇森（Dan Hutcheson）如是說(shuō)。20世紀(jì)90年代初，也就是路線圖工作剛開(kāi)始的時(shí)候，美國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)有理由開(kāi)展合作，確定共同需求，最終于1998年促成了ITRS的建立。他說(shuō)，供應(yīng)商們很難知道半導(dǎo)體企業(yè)的確切需求，因此各芯片公司集體確定優(yōu)先工作，充分利用有限的研發(fā)資金，這也就說(shuō)得通了。

但要維持摩爾定律的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，會(huì)面臨重重困難，耗費(fèi)大量資金，因此導(dǎo)致行業(yè)出現(xiàn)重大整合。據(jù)哈奇森計(jì)算，2001年有19家企業(yè)在研發(fā)和制造配備先進(jìn)晶體管的邏輯芯片，而今天只剩格羅方德、英特爾、三星和臺(tái)積電4家。（此前，IBM也曾屬于這一方陣，但其芯片制造工廠被格羅方德收購(gòu)了。）

哈奇森表示，這些公司有自己的路線圖，而且可以與其設(shè)備和材料供應(yīng)商直接溝通。此外，它們極具競(jìng)爭(zhēng)力?！八麄儾⒉幌胱谖葑永?，談?wù)勛约盒枰裁?。”他說(shuō)，“有點(diǎn)像橄欖球賽季剛開(kāi)始的時(shí)候，一切都很有趣，但進(jìn)入季后賽，就變得很殘酷了?！?/p>

ITRS主席保羅?佳基尼（Paolo Gargini）也同意“這個(gè)行業(yè)已經(jīng)變了”，而且他還強(qiáng)調(diào)了其他變化。不再自己制造先進(jìn)芯片的半導(dǎo)體公司現(xiàn)在依靠芯片代工廠來(lái)提供先進(jìn)技術(shù)。而且，他還說(shuō)，芯片買(mǎi)方和設(shè)計(jì)方（如蘋(píng)果、谷歌和高通等公司）對(duì)未來(lái)的芯片提出了越來(lái)越多的要求。佳基尼說(shuō)：“曾經(jīng)是由半導(dǎo)體公司來(lái)決定半導(dǎo)體應(yīng)具有的功能特征。但現(xiàn)在，這種情況一去不復(fù)返了。”最后一份ITRS報(bào)告被稱為ITRS2.0，反映出計(jì)算上的提高不再是自下而上進(jìn)行，不再追求更小的開(kāi)關(guān)、更密集或更快的內(nèi)存。這份報(bào)告更多地采取了自上而下的方法，專注于數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備等推動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

新的IEEE路線圖——國(guó)際設(shè)備和系統(tǒng)路線圖（IRDS）——也將采用這種方法，但還會(huì)加入計(jì)算機(jī)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“一個(gè)包括設(shè)備、組件、系統(tǒng)、架構(gòu)和軟件在內(nèi)的，全面的、端到端的計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)”。

直到2014年發(fā)布2013年ITRS報(bào)告（也就是倒數(shù)第二份路線圖）之時(shí)，晶體管小型化還屬于長(zhǎng)期預(yù)測(cè)內(nèi)容。那份報(bào)告預(yù)測(cè)，晶體管的物理柵極長(zhǎng)度（說(shuō)明電流在設(shè)備中必須穿行多遠(yuǎn)的指標(biāo)）和其他關(guān)鍵的邏輯芯片尺寸至少在2028年之前會(huì)繼續(xù)縮小。然而自那之后，3D概念發(fā)展起來(lái)。存儲(chǔ)行業(yè)也早已轉(zhuǎn)向3D架構(gòu)來(lái)緩解小型化壓力，提高NAND閃存的容量。將元件一層疊一層并用許多電線連接的單片3D集成已成為越來(lái)越熱門(mén)的討論話題。

2015年報(bào)告包含了這些趨勢(shì)，預(yù)測(cè)到21世紀(jì)20年代初，一直以來(lái)的縮小趨勢(shì)——芯片尺寸的縮小——將結(jié)束。但佳基尼表示，認(rèn)為摩爾定律即將消亡的想法“是完全錯(cuò)誤的”?！懊襟w發(fā)明了多種定義摩爾定律的方法，但其實(shí)真正的定義只有一種：每?jī)赡?，晶體管的數(shù)量都會(huì)翻倍?！?/p>

他強(qiáng)調(diào)，摩爾定律只是預(yù)測(cè)集成電路的某一區(qū)域能有多少個(gè)晶體管——無(wú)論是幾十年來(lái)的單層布置還是多層堆疊。佳基尼說(shuō)，如果一家公司真的想縮小晶體管尺寸，那么就能繼續(xù)縮小到本世紀(jì)20年代，“但采用3D辦法更為經(jīng)濟(jì)。這就是我們想傳遞的信息”。

其他變化也即將發(fā)生。今后幾年里，在3D集成獲得采用之前，ITRS預(yù)測(cè)，領(lǐng)先的芯片企業(yè)將不再使用現(xiàn)在高性能芯片上應(yīng)用的晶體管結(jié)構(gòu)：鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）。該設(shè)備有一個(gè)柵極圍繞水平鰭形通道的3個(gè)方向，控制電流通過(guò)。根據(jù)最新路線圖，芯片制造商們將放棄這種結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)而選擇一個(gè)柵極從側(cè)面控制各個(gè)方向的元件。該元件也像FinFET那樣有一個(gè)水平通道，但是柵極延伸到了通道下方，將通道環(huán)繞起來(lái)。之后，晶體管將變成垂直的，其通道像硅柱或納米線一樣豎立起來(lái)。該報(bào)告還預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)的硅通道將被其他材料制成的通道取代，如硅鍺、鍺，以及三族和五族元素構(gòu)成的化合物。

有了這些變化，各公司將能在某一區(qū)域中配置更多的晶體管，從而遵守摩爾定律的內(nèi)容。但遵守摩爾定律的精神——計(jì)算性能的穩(wěn)步提高——就是另一回事了。

IEEE計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)主席兼IEEE重啟計(jì)算計(jì)劃的共同領(lǐng)導(dǎo)人湯姆?康特（Tom Conte）提出，有一段時(shí)間，人們并沒(méi)有把晶體管密度的翻倍和計(jì)算性能的提高聯(lián)系起來(lái)。

在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，晶體管體積的縮小就意味著速度的提升。但康特說(shuō)，在20世紀(jì)90年代中期，為了把越來(lái)越多的晶體管用線連起來(lái)，需要更多的金屬層，這嚴(yán)重耽誤了時(shí)間，工程師們不得不重新設(shè)計(jì)芯片的微架構(gòu)來(lái)提高性能。10年后，由于晶體管密度過(guò)大，其散發(fā)出的熱量限制了時(shí)鐘速度。各公司開(kāi)始在芯片上加入更多核心以保持運(yùn)轉(zhuǎn)。

“我們一直生活在這個(gè)泡沫之中，計(jì)算機(jī)行業(yè)依靠設(shè)備方完成自己的工作，所以，計(jì)算機(jī)行業(yè)和設(shè)備行業(yè)之間有一堵非常美好的墻。”康特說(shuō)，“2005年那堵墻開(kāi)始真正坍塌，自那之后，我們有了越來(lái)越多的晶體管，但它們的性能真的沒(méi)有提高很多。”

2015年，在IRDS啟動(dòng)之前，這堵坍塌的墻成為了IEEE重啟計(jì)算計(jì)劃開(kāi)始與ITRS協(xié)作的強(qiáng)大動(dòng)力?？堤乇硎荆骸拔蚁胝f(shuō)我們能看到通道另一端的光，我們也知道那是一列迎面駛來(lái)的火車(chē)。”

重啟計(jì)算計(jì)劃之后召開(kāi)的一次峰會(huì)，涵蓋了所有具有未來(lái)計(jì)算潛力的技術(shù)，如新款晶體管和存儲(chǔ)元件、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算、超導(dǎo)電路，以及使用近似答案而非準(zhǔn)確答案的處理器。

康特說(shuō)，IRDS將追尋“摩爾定律直到最后”。但路線圖的焦點(diǎn)發(fā)生了變化?！安⒉皇钦f(shuō)這是摩爾定律的終結(jié)，”他說(shuō)，“只是后退一步，談?wù)劥藭r(shí)真正重要的事情——而此時(shí)真正重要的就是計(jì)算?！?/p>