【重磅】摩尔定律死亡？权威报告：2021年芯片只能向3D转型

报告认为，2012年后半导体厂商将面积缩小、放下更多晶体管的做法已经在经济上不划算，此后，半导体厂商将关注3D芯片等其他新的技术增强计算力。

【编者按】本文由新智元编译，来源：IEEE Spectrum，编译：张冬君、闻菲

国际半导体技术发展路线图（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）最新发布报告指出，半导体体积到2021年将不再缩小。报告认为，届时半导体厂商将面积缩小、放下更多晶体管的做法已经在经济上不划算，此后，半导体厂商将关注3D芯片等其他新的技术增强计算力。不过，该报告发布并非意味着“摩尔定律”将在5年内死亡——通过使用3D堆叠等新的技术，短期内芯片的晶体管密度将继续提高。同时，也有外媒指出，该报告毕竟是“路线图”，而非“发展规划”，因此对其结论也应持谨慎态度。但有一点可以确定，与以往首先改善硬件，软件随后跟上的趋势不同，以后半导体行业的发展将会呈现以软件为主导的软硬结合新思路：先看手机、物联网设备及数据中心等软件的需求，再回过头来决定支持这些软件和应用需要怎样的处理能力，并由此规划硬件的设计。

本月早些时候公布的“2015年半导体国际技术路线图”（ITRS）显示，经过50多年的微型化，晶体管的尺寸可能将在五年后停止缩减。

该报告预测，在2021年后，继续缩小微处理器中晶体管的尺寸，对公司而言在经济上不可取。相反，芯片制造商将用其他方法增大晶体管密度，即将晶体管从水平结构，转变为垂直结构并建造多层电路。

一些人认为，这一变化相当于是宣布摩尔定律的终结。雪上加霜的是，这是最后一份ITRS路线图。

ITRS由美国发起，而后扩展到全球，已有20年的历史，现在却走到了终点。

1971年到2016年，全球半导体行业根据摩尔定律，在电路板上容纳的晶体管数量

半导体特性不再由半导体公司决定

因为行业参与度的减少以及打算着手其他项目，美国半导体行业协会（SIA）——美国的一个贸易集团，代表IBM、英特尔以及华盛顿其他公司的利益，是ITRS的主办方之一——将离开ITRS，与半导体研究公司（SRC）合作，参与政府和行业支持的重点研究项目。

ITRS的其他参与者将以新的名义继续制定路线图 ITRS 2.0，并将其作为IEEE计划“Rebooting Computing”的一部分。

ITRS的转变似乎只是微小的行政变动。但是，VLSL公司的分析员Dan Hutcheson表示，这是行业的大地震。20世纪90年代早期，为了制定路线图，美国的半导体公司进行合作、确定共同需求，最终于1998年成立了ITRS。Hutcheson说，供应商很难知道半导体公司需要什么，因此，芯片公司就要集体制定优先次序以便充分利用有限的研发资金。

然而，按照摩尔定律的规律发展，给各个公司带来困难和大的开支，导致行业内出现重大整合。据Hutcheson统计，2001年有19家公司开发、制造装有先进晶体管的逻辑芯片。而今天，只有4家公司：英特尔、三星、台积电和GlobalFoundries（此前，IBM也属于这一行列，只是近期将其芯片制造厂卖给了GlobalFoundries）。

Hutcheson表示，这些公司有自己的路线图，可以直接与自己的设备和材料供应商交流。此外，它们之间的竞争十分激烈。

“这个行业已经变了，”ITRS的主席Paolo Gargini说，但是他还强调了其他的转变。不再自己制造尖端芯片的半导体公司，靠的是工厂为其芯片提供先进技术。Gargini还说，芯片购买方和设计方，如苹果、谷歌和高通，越来越能决定未来芯片的要求。

“以前，是半导体公司决定半导体的特性，而现在的情况完全不同。”

ITRS 2.0：摩尔定律并没有死亡

最新的这份ITRS报告的命名是ITRS 2.0。这一名称反映了计算的改进不再是来自自下而上的推动——使用更小的交换机和密度更大、速度更快的内存。相反，现在更多的是依靠自上而下的方法，注重能促进芯片设计的各种应用，如数据中心、物联网和移动设备。

实际上，在2014年4月，ITRS 委员会便宣布，他们决定重组 “ITRS 路线图”，以适应半导体行业不断发展的需求。新的 ITRS 2.0 将聚焦 7 大主题：

系统集成：关注如何从设计上在计算机体系架构中整合异构模块

系统外连接：关注无线技术

异构集成：如何将不同技术集成为一体

异构组件：MEMS、传感器等其他系统设备

非 CMOS 结构：自旋电子学、忆阻器以及其他不是基于 CMOS 的设备

摩尔定律升级（More Moore）：继续关注 CMOS 元件缩小

工场集成：关注新的半导体生产工具和工艺

这次新发布的报告，就属于“摩尔定律升级”研究组的成果。

根据最近的新闻报道，新的IEEE路线图——International Roadmap for Devices and Systems——也将使用这种方法，但是会增加计算机体系结构，允许“一个全面的、端到端的计算生态系统视图，包括设备、组件、系统、体系结构和软件”。

对比2013年报告与2015年报告可以发现，半导体体积将在2021年迎来巨变

2014年，上一份 ITRS 报告预测，晶体管微型化仍是长期趋势。该报告预测，至少在2028年前，晶体管的栅极长度——电流必须在晶体管流过的距离——以及其他重要逻辑芯片的尺寸将继续缩小。

可是，自2014年以来，三维架构的概念发展越来越快。内存产业已经转向了三维架构，以减轻微型化的压力和提高NAND Flash的容量。单片三维集成——建造多层设备，层层叠加，彼此用密集的电线相连——也成为越来越受欢迎的讨论主题。

新的报告包括了这些趋势，预测了传统芯片尺寸缩小的趋势将于本世纪20年代初终结。但是，摩尔定律终结这个观点是“完全错误的”。

Gargini 说，“媒体想出了各种方式来解释摩尔定律，但是，摩尔定律只有一个定义：晶体管的数量每两年增加一倍。” 他强调：摩尔定律只是简单地预测，给定的一个集成电路区域能容纳多少晶体管，而不管是在单层的还是多层的芯片。

如果有哪一家公司愿意，它在2020年后也可以继续缩小晶体管的尺寸，只不过使用三维芯片要更划算——这就是报告想传达的信息。

换句话说，通过使用3D堆叠等新的技术，短期内芯片的晶体管密度将继续提高。这也是 ITRS 2.0 “持续关注CMOS 元件缩小”的原因。

物联网时代的到来，将产生数以百亿计的连接设备，每台设备都需要相应的芯片。而且，不同于PC和手机，很多物联网终端不需要太强的本地计算能力，半导体厂商并不需要继续突破硬件的物理极限，他们面前已经出现了新的市场和趋势——软件与硬件的结合越发紧密。

在这种新常态下，云计算、软件，以及全新的计算架构将成为未来计算技术进步的关键。

与以往首先改善硬件，软件随后跟上的趋势不同，以后半导体行业的发展将会呈现以软件为主导的软硬结合新思路：先看手机、物联网设备及数据中心等软件的需求，再回过头来决定支持这些软件和应用需要怎样的处理能力，并由此规划硬件的设计。

未来半导体发展

同时发生的还有其他的变化。

ITRS预测，几年过后，在使用三维集成之前，前沿芯片公司将放弃现在用于高性能芯片中的晶体管结构：鳍式场效应晶体管FinFET（见上图）。

在FinFET的架构中，栅门成类似鱼鳍的叉状3D架构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开。据这次的路线图显示，芯片制造商将会放弃FinFET，选择另一种晶体管——具有横向环绕栅极，有与FinFET类似的水平通道，但是被一个向下延伸的栅极包围（见下图）。

在那之后，晶体管将变为垂直架构，通道将采用支柱的形状，或是纳米线竖立着。

传统硅通道也将被其他材质的通道取代，即硅锗、锗、来自元素周期表第III和V列元素组成的化合物。

这些变化将使得芯片厂商能在同样大的区域装下更多的晶体管，这也就遵守了摩尔定律。

报告指出，半导体行业在短期（2015 年到2022年）和长期（2023年到2030年）所分别面临的挑战将是：

短期

硅基CMOS尺寸缩小

高迁移率沟道材料的实现

DRAM 和 SRAM尺寸缩小

高密度非易失存储尺寸缩小

材料，制程、结构变化及新的应用的可靠性

长期

先进多栅结构的实现

新存储结构的研发与实现

新器件、结构和材料的可靠性

功耗下降

多种功能的集成

但是，遵循摩尔定律的精神——计算性能稳定增长——则是另外一回事。

2015年，IEEE计算机协会主席和IEEE重启计算项目的联合领导人Tom Conte表示，晶体管密度增加一倍，有时并不等同于计算性能提高。

长期以来，晶体管尺寸缩小意味着速度更快。然而Conte说，在上世纪90年代中期，晶体管数量越来越多，但由此导致的能耗也越来越大，反而导致计算速度延迟，于是工程师重新设计的芯片的微体系结构来提高性能。十年过后，晶体管的密度已经非常大了，逼近极限。芯片厂商不得不在电路板上封装多核芯片以维持情况，这也是IEEE提出新路线图的原因。

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