CMOS制程微缩将在2024年说再见？

CMOS制程微缩将在2024年说再见？

　　根据致力于规划新版半导体发展蓝图的工程师所提供的白皮书，传统的半导体制程微缩预计将在2024年以前告终。值得庆幸的是，各种新型的元件、晶片堆叠和系统创新，可望持续使运算性能、功耗和成本受益。

　　在国际元件与系统技术蓝图(International Roadmap for Devices and Systems;IRDS)最新发表的一份白皮书中提到，「由于多间距、金属间距以及单元高度同时微缩，使得晶粒成本迄今持续降低。这一趋势将持续到2024年。」

　　在2024年以后，该白皮书中提到，「已经没有足够的空间佈局触点，加上接触多间距(CPP)微缩导致性能退化的结果，预计实体通道长度将因静电程度恶化而在12nm饱和，CPP则在24nm饱和，以保留足够的电源密度(~11nm)，使元件触点提供可接受的寄生效应。」

　　IRDS是首度于1965年发佈的「国际半导体技术蓝图」(ITRS)之延伸版本。去年五月，IEEE接手后将它重新命名为IRDS，并扩展到涵盖新型系统级技术。

　　IEEE预计将于11月在美国华府举行的活动上正式发佈IRDS的第一个版本。新的白皮书象徵迈向更新版本的过渡阶段。

　　在ITRS时代的许多白皮书都在介绍传统的研究，例如CMOS微缩、新兴元件与良率等。只有几篇论文能不落俗套地介绍一些新的领域，例如系统互连，以及量子与神经系统等新型运算。

半导体晶片将自2021年起面临实体尺寸限制的挑战

　　在所有的白皮书中，所谓的「后摩尔定律」(More Moore)在文章中有最详尽的介绍。它提供有关逻辑元件与记忆体元件尺寸与材料及其关键元件(如互连)的大量资讯。

　　例如，在白皮书中预测，FinFET可为实现高性能逻辑应用持续微缩到2021年;然而，在2019年以后，将开始转向环绕式闸极(GAA)电晶体，并可能转向需要垂直奈米线元件，届时将会因为鳍片宽度微缩限制，而不再有闸极长度微缩的空间。」

　　该白皮书中并预测，插入高迁移率材料(如锗)，可望使「驱动电流提高一个数量级」。

　　它还预测，随著晶片製造商转移到水平和垂直GAA电晶体，「2019年以后的寄生效应将随设计规则紧缩而成为主要的旋钮，预计寄生效应将在关键路径性能发挥更大影响力。」

　　晶片堆叠和各种新兴元件可望为CMOS以外的元件提高性能以及降低成本。「业界必须追寻3D整合路径，如堆叠与单片3D (或序列整合)，以维持系统的性能与增加功率，同时保有成本优势。」 IEEE研究员兼IRDS主席Paolo A. Gargini表示：「我们的研究团队正致力于确认挑战以及提议可能的解决方案，突破摩尔定律所定义的现有限制。」

随著晶片微缩，新的材料将需要保持性能和低功耗

　　系统创新就在眼前...

　　这份白皮书的初步版本针对新系统架构指出，「针对摩尔定律的限制，许多组织均根据新的元件实体提出补救措施。代表性的新元件包括神经形态电路、量子位元与自旋电子学等等。这些新的元件代表大幅扩展以往关注于CMOS与微处理器的领域…明显偏离了现有的发展路径。」

　　为了实现这种新架构，该发展蓝图还包括有关于应用基准的新部份，标示出11个值得追踪的领域，广泛地涵盖运算方式等。

　　针对系互连部份则广泛探讨有线与无线连接的挑战，包括为先进的RF电路「增加锗和三五族(III-V)材料的使用，并将其整合于硅基的CMOS平台上。」

　　资料中心「则需要紧密型低成本功率光子元件以及紧密型佈线电路的开发。」

　　半导体开发蓝图预期未来各种不同的运算方式将遍地开花

　　最后还探讨了确保新兴物联网(IoT)将採取「需要藕合软体与硬体的新方法」。有趣的是，在预测CMOS微缩的部份，也预期英特尔(Intel)最近发佈的3D XPoint将会是新一代的储存类记忆体之一。

　　「尽管细节部份仍然不足，但据推测，基于硫族化物的相变材料阈值切换(OTS)特性构成了选择器元件的核心。」

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