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摩尔定律何去何从之二：More Moore or More Than Moor

已有 8093 次阅读| 2016-7-11 20:39

在前一篇文章“摩尔定律何去何从之一”中，我们提到摩尔定律发展到特征尺寸5nm的时候，继续简单粗暴地缩小特征尺寸会变得很困难。那么接下来集成电路该怎么办？业界和学界给出的方案有三个大方向：“More Moore”、”“More than Moore”、“Beyond CMOS”。本文讲主要讨论More Moore和More than Moore，而Beyond CMOS的话题我们将会在第三篇文章里讨论，敬请关注。

言归正传，那为什么这样三个大的方向到底是什么意思？

用这张图就能更好的理解:

More Moore, More-than-Moore and Beyond CMOS

• “More Moore （深度摩尔）”做的是想办法沿着摩尔定律的道路继续往前推进。

• “More than Moore （超越摩尔）”做的是发展在之前摩尔定律演进过程中所未开发的部分。

• “Beyond CMOS （新器件）”做的是发明在硅基CMOS遇到物理极限时所能倚重的新型器件。

一、More Moore （深度摩尔）

“More Moore”延续CMOS的整体思路，在器件结构、沟道材料、连接导线、高介质金属栅、架构系统、制造工艺等等方面进行创新研发，沿着摩尔定律一路scaling（每两到三年左右，晶体管的数目翻倍）。

ITRS每年都会公布之后几代制程的性能参数和Roadmap（roadmap就是大致哪一年做到22nm，哪一年做到10nm，哪一年做到7nm的规划，如下图）。

然而，More Moore会遇到漏电的问题。当特征尺寸缩小到10nm的时候，栅氧化层的厚度仅仅只有十个原子那么厚，在那个时候会产生诸多量子效应，导致晶体管的特性难以控制，例如量子隧穿效应。这些都导致晶体管漏电非常严重。在传统的摩尔定律时代，工艺制程进化时对于晶体管的优化主要在于性能方面。Intel的执行副总Bill Holt在ISSCC 2016的演讲中提到，在More Moore时代，对于晶体管的优化将从侧重于性能提升转向侧重于减小漏电，即所谓的“由功耗驱动的制程进化 (Power-Driven Technology Transition)”。Intel和TSMC在先进制程所使用的FinFET就是一个典型的例子。FinFET由于使用三维结构，可以更好地控制漏电，但是晶体管的速度相比平面工艺并没有多少提升。下图是鲁汶天主教大学的Willy Sansen在ISSCC 2015演讲中给出的晶体管截止频率变化趋势，从中可见从28nm平面工艺进化到14nm FinFET工艺时，晶体管直接频率不升反降。

平面工艺与FinFET工艺晶体管截止频率比较

二、More than Moore （超越摩尔）

“More than Moore”侧重于功能的多样化，是由应用需求驱动的。之前集成电路产业一直延续摩尔定律而飞速发展，满足了同时期人们对计算、存储的渴望与需求。大众一提到芯片想到的就是cpu、显卡、英特尔、英伟达、高通，也可能会觉得德州仪器这样名字的“山东某设备制造“公司应该和芯片没什么关系吧（纯吐槽）。

但是这个世界不是光光只有处理器啊！像下图所示，一个系统（比如您的手机芯片组）还有很多其他部分的功能模块，这些橙色的部分还大有文章可做。

在一个异质集成系统中集成利用More Moore提升性能的数字处理器／存储模块以及利用More than Moore提升性能的其他模块

• 首先，摩尔定律（主要是数字电路和存储电路）切下了系统版图的一角却也留下了很大一块的空白。那些“空白”部分（比如模电以及后来兴起的微机电等等）并不是把MOSFET作为单纯的开关来用，也因此和数字电路不停地scaling的玩法不同，当这边看上去快要玩完的时候那边说不定还想大干一场呢。这就是More than Moore的第一重涵义：芯片系统性能的提升不再靠单纯的暴力晶体管scaling，而是更多地靠电路设计以及系统算法优化。

• 其次，上图中黄色More than Moore的部分与More Moore部分的集成可以超越传统的SoC方式。在传统的SoC中，所有模块必须使用同一种工艺。SoC中的数字电路模块会希望使用先进制程以实现更好的集成度以及更高的性能。然而，对于射频、模拟以及混合信号模块，先进制程并不能带来显著的集成度和性能改善。模拟电路的版图设计必须考虑串扰的问题，而且往往是手工设计版图，因此先进制程下的集成度改进并非立竿见影。对于射频电路，由于往往要使用大尺寸的电感，在不同工艺下的集成度几乎没有变化。这就导致射频、模拟以及混合信号模块在先进制程中的成本反而较高。就性能而言，由于先进制程的电源电压会偏低，晶体管输出阻抗也会较小，模拟/射频/模拟信号模块的性能在先进制程下反而可能更差。例如晶体管的本征增益(Intrinsic Gain)在先进制程下只有5左右，因此放大器的设计变得困难。另外在低电源电压下，模拟电路的线性度很难保证。More than Moore的第二重涵义就是，集成度的提高不一定要靠暴力地把更多模块放到同一块芯片上，而是可以靠封装技术来实现集成。模拟/射频/混合信号模块等不需要最先进工艺的模块可以用较成熟且廉价的工艺实现（比如为模拟射频工程师所喜闻乐见的0.18um/65nm），而数字模块则可以由先进工艺实现。不同模块可以用封装技术集成在同一封装中，而模块间的通讯则使用高速接口。这种集成方式即异质集成(heterogeneous integration)，是目前在工业界和学界都非常火的研究方向。对于封装技术，业界在力推TSV(Through Silicon Via)技术，即把多块芯片用三维堆叠的形式放在一起，然后在不同的芯片间打通孔并制作铜连线，使得芯片间可以经由这些连线实现通信。TSMC则在推广2.5D技术CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) 和InFO (Integrated Fan-Out) ，基本概念是把多块芯片集成到同一块载体(Interposer)并在载体上制作芯片间的连线。据说苹果下一款产品iPhone7中的A10处理器就会使用TSMC的InFO技术。

当这种封装技术真正成熟后，Marvell创始人Sehat Sutardja在ISSCC 2015演讲中提到的MoChi架构就能真正实现：不同工艺生产的芯片像乐高积木一样集成在封装里并使用通用的高速接口通信；当需要一个新的模块集成到系统中时只需要设计新的模块芯片并改一下封装即可，不再需要重新去设计并生产新的SoC。

Marvell创始人Sehat Sutardja提出的MoChi异质集成架构

• 最后，也是最重要的，随着时代的发展，人们对物联网、生医电子等等产业的期待和需求越来越大，也就是说，消费者除了对计算、存储功能还对传输、感测、智能化等功能的要求越来越高。More than Moore的第三重涵义：芯片的主要卖点不仅仅是更高的性能，更可以是一些有用的新功能。

这意味着什么，这意味着商机啊，意味着大笔大笔的钱啊。

比如

• mm-Wave IC：现在大家常讲的2G啊5G啊，现在直接上60G，是不是很快！

• Wireless power transmission：无线充电啊，其实现在IC级的无线充电从工业界商用的角度来讲效率还不算高，传输距离也还有很大的限制，还有很大的发展空间啊，如果一款手机只要在有类似WiFi的地方就能自己充电你是不是会马上冲出去买买买！

• Power converter for energy harvesting：不仅无线充电啊，芯片还能自己从周围环境吸收能量啊，是不是吊炸天！

• 生医电子就不用讲了，神马吹口气就能测癌症的芯片啦、一滴血就能检艾滋的芯片啦、会放电刺激你大脑的芯片啦、能在你血管里游来游去的微机电啦！（这方面还有很多很有意思的生医芯片，有机会再给大家详细介绍）

等等等，这些例子都不是科幻想象，都是有被具体流片实现验证的呐！但是为毛我作为消费者还没有接触到！炸裂！

因为啊，相对来说，这些技术或者还不够成熟、或者制造成本过高、或者仍不适合大量生产，还有很大的开发空间，还需要很大的研发投入。所以，业界学界就有很多人提出，别整天快到头啦快到头了的，我们来玩More than Moore好不好，我们继续赚大钱好不好（切，大钱怎么会给你们硬件挣，都在人家互联网公司好不好（纯吐槽，羡慕嫉妒没有恨））。

上面介绍的“More than Moore”其实和去年台积电张忠谋董事长“下一个发展亮点是互联网”的观点是一致的。张忠谋说，摩尔定律分析，半导体经过数十年的发展就差不多“要死了”，就算还可以苟延残喘个5、6年，难道接下来就没有事情做了吗？

为半导体产业把脉，张忠谋提出3个发展方向，

• 首先摩尔定律下包括射频、输入输出控制等不需要高阶制程的产品可以放在同一封装上，另外发展高阶技术的产品，能将相同制程的不同产品一起封装的先进封装技术，让一颗芯片能整合更多功能，更可以节省空间（也就是之前提到的TSMC力推的2.5D封装）。　　

• 第二，物联网有机会用到不同的传感器，去执行测量温度、侦测环境、感应人体血压等功能，半导体公司也要必须跟上脚步，掌握这些技术。　　

• 最后，他认为未来的产品须要更佳的低功耗功能，甚至功耗要求比智能手机低10倍，最好一周只充一次电，这技术也将是半导体公司须要突破的。

总结：在未来，继续使用MOSFET器件的集成电路发展方向包括More Moore以及More than Moore。More Moore更激进地缩小数字集成电路的特征尺寸，但是器件优化重心渐渐地从性能转移到了功耗。More than Moore则在系统集成方式上创新，系统性能提升不再靠单纯的暴力晶体管特征尺寸缩小，而是更多地靠电路设计以及系统算法优化。