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“擴展摩爾”

隨著“延續摩爾”遇到的障礙越來越大，人們開始尋找其他解決路徑。2005年，ITRS提出了“擴展摩爾”的概念。這條路徑追求的不是縮小單個晶體管的尺寸，而是增加系統功能的多樣性，在一個芯片上集成和實現豐富的功能。

這條路徑關注的不是CPU和存儲器這些需要最先進工藝的數字芯片，而是模擬、功率、傳感以及數模混合芯片，它們不需要最小的晶體管，但能實現豐富的應用場景。

“擴展摩爾”根據頂層的應用與需求來拉動技術的發展，其中一個最大的需求就是物聯網。過去幾十年中，個人電腦和手機先后普及，但數量已經趨近飽和，將來的數量至多再提高3倍。而未來的物聯網設備，包括智能家居、健康監測、自動駕駛汽車、環境監測等，還會增加3個數量級，構成一個無處不在的物聯網世界。例如，自動駕駛汽車里需要激光測距雷達、超聲波傳感器、加速度計等多種傳感器；醫療領域需要可穿戴式的生理信號監測設備，以及為了抑制癲癇發作的植入式傳感器和電流刺激芯片等；環境監測領域需要能探測各種二氧化碳、硫化物等污染物的傳感器芯片。這些傳感器需要跟CPU、存儲器等集成在一起，從而實現豐富的功能。

此外，我們也需要高效的電源，想要實現極低的功耗，滿足便攜或移動設備的要求。我們同樣需要用高信噪比的傳感器和模擬電路來感知或采集微弱的生理信號、危險氣體的濃度等。我們也需要滿足各種頻段的無線射頻電路，實現更多樣的無線連接。

另外一個有“擴展摩爾”需求的是能源領域。與硅相比，氮化鎵和碳化硅等半導體材料的性能更優異，用它們制成的功率器件可以在相同的耐受電壓下提供更高的開關頻率，或者在相同的耐受電壓和開關頻率下有更低的導通和開關損耗。

此外，人們也將對能量收集技術產生極大的需求，因為許多傳感器安置在露天環境中，沒有市電供電，也不方便更換電池。而能量收集的途徑可以是機械振動、冷熱溫差或者無線電波、光線等，這將大大地延長芯片的工作時長。

最后，柔性電子將在基于織物的可穿戴設備、折疊屏幕、薄膜太陽能電池等方面發揮作用。未來相當一部分柔性電子設備將通過打印在柔性基材上的方式制造出來，但這需要業界在有機材料和碳基材料上取得進一步突破。

從2017年開始，一種叫作小芯片（Chiplet）的技術引起了業界，尤其是超威半導體公司的興趣。以往，人們盡量將不同的電路模塊集成到一顆芯片上，以降低成本。但是人們發現，加工的芯片面積越大，芯片良率（晶圓片上性能良好的裸芯片的比率）越低，進而推高了成本。反之，將大芯片拆成小芯片則能提高良率，降低成本。

于是，一種相反的趨勢出現了：將大芯片拆解成尺寸較小的單個芯片，分別制造，然后再通過封裝技術合成在一起（見圖14-5）。這有點像先制造小塊的樂高積木，然后將其拼成一個更大的整體。例如，將一顆面積為360平方毫米的芯片拆成4顆小芯片分別制成，它的良率將提高兩倍多。在這一趨勢下，未來CPU中的內核會越來越多。超威半導體公司的一款“霄龍”處理器（簡稱EPYC）中有8個小芯片，每個小芯片中又有8個內核，總共有多達64個內核。

小芯片技術為芯片系統增加了一個自由度，即每個小芯片的制造都可以自由地采用最佳性價比的工藝，CPU和內存采用先進工藝以提高算力，而模擬和射頻等則采用較為低價的成熟工藝，以降低整體成本。

圖14-5 將單一芯片（a）拆分為小芯片（b）分別制成，并通過下方基板互連起來

1958年到1959年基爾比和諾伊斯發明集成電路時，他們分別解決了集成和互連的問題。現在60多年過去了，我們仍然走在追求如何更好地集成和互連的路上。集成的方式從平面走向了三維，從單芯片走向了多芯片，從單一電路互連走向了數字、模擬、射頻、傳感器等多種電路的集成，從硅集成走向了硅、碳、鍺等元素的共同集成，從平面互連走向了立體互連。

“超越摩爾”

大數據、物聯網、人工智能和超級計算等新技術的計算需求對芯片性能和能效提出了更高的要求，于是就有了第三條路：“超越摩爾”，又叫“超越CMOS”，即在主流的CMOS技術之外尋找更好的可能。

硅晶體管中的漏電流一直是科學家的心頭大患。為此，人們發明了TFET（其結構見圖14-6）。它利用導帶與價帶之間的量子隧穿效應，控制晶體管的開與關，使漏電流更小、導通電流更大，突破了傳統晶體管中的麥克斯韋-玻爾茲曼統計限制，使得亞閾值擺幅低于60 mV/dec的下限。不過，TFET的源極與漏極不再像MOS場效晶體管那樣同為P型半導體或同為N型半導體，而是一邊為P型半導體，另一邊為N型半導體，這對器件制造和應用提出了新的挑戰。

圖14-6 TFET的結構

硅材料雖然適合大規模生產，儲藏豐富，還有一個天然穩定的絕緣氧化層，但它也有難以克服的缺點：電子遷移率低，導致開關速度不高；散熱特性一般，限制了芯片的工作頻率。這些問題都讓“延續摩爾”之路變得困難重重。

而碳材料則在遷移率、小尺寸和散熱特性方面具有優勢。在實驗室中，研究者已經用碳納米管制成了CNTFET（見圖14-7），結構類似于硅MOS場效晶體管，只是將中間的導電溝道換成遷移率更好、散熱性更好、尺寸更小的碳納米管。目前，人們仍在解決大規模制備方面的挑戰。

圖14-7 CNTFET注：俯視圖（a）和側視圖（b）

無論是BJT，還是MOS場效晶體管等器件，都是用電子作為信息處理的媒介，創新的思路則是采用速度更快的光子。光子沒有散熱問題，不受電子噪聲影響，而且光信號延遲小、通信帶寬遠高于電信號。此外，用硅材料就能做出各種光處理器件（光波導、光濾波器和光連接器等），它們很容易就能集成到CMOS芯片中，從而大大地降低成本。制造光互連處理器已經開始變得可能。不過，硅光電子仍需要突破一些技術瓶頸才能進入實際應用。

1970年，加州大學伯克利分校的蔡少棠（Leon Chua）教授發現，當時已有三種基本元件：電阻器，負責關聯電壓和電流；電容器，負責關聯電壓和電荷；電感器，負責關聯電流和磁通量。但電荷與磁通量是否可以有直接關聯呢？蔡少棠提出，或許存在第四種基本元件能將電荷和磁通量直接關聯，他將其命名為憶阻器（memristor）（見圖14-8）。2008年，惠普實驗室威廉姆斯領導的團隊做出了單器件結構的憶阻器，僅僅由兩端的金屬和中間的氧化物構成。

憶阻器具有電阻記憶效應，掉電后能維持電阻數值，在脈沖信號的激勵下能改變電阻值，就像大腦的突觸在神經元脈沖的刺激下改變連接強度，能作為人工電子突觸模擬大腦中的化學突觸，實現學習記憶功能。憶阻器的尺寸可以做到納米級，但是在制備良率以及器件一致性方面仍有較大的改進空間。

除此之外，人們在自旋場效晶體管（簡稱Spin-FET）、PCRAM、RRAM、磁阻式隨機存取存儲器（簡稱MRAM）、柔性薄膜晶體管（簡稱FTFT）等方面也展開了研究，但由于傳統器件成本低、產量大，這些新型器件的優勢還無法體現出來，不能在短期內替代現有器件。

圖14-8 四種基本元件之間的關系

注：圖中呈現了三種基本元件（電阻器、電容器和電感器）和蔡少棠設想的第四種基本元件——憶阻器彼此間的關聯性。

不過，“危”中藏“機”。晶體管縮小之路的終結也許是一個好消息，因為此前業界的絕大部分經費和人力都投到了硅MOS場效晶體管器件的相關研究中，以維持其按照摩爾定律預測的速度前進。現在，MOS場效晶體管尺寸縮小之路的結束將為非MOS場效晶體管器件的發展讓出一條路。

在芯片設計的EDA領域，隨著芯片中數字、模擬、射頻等電路融合在一個系統中，電磁干擾將更加復雜，散熱問題與性能退化需要更小心地應對，不同電路之間的接口也變得更加復雜。最近幾年，人工智能開始用于解決芯片布線問題，以尋找最優解。

在應用層面，為了滿足不同場景下的計算需求，人們正在研究高帶寬存儲器（簡稱HBM）、存內計算、近存計算、神經形態計算、近似計算和集感存算為一體的芯片技術。

這些設想將來都能實現嗎？我們目前還無法確知，但它們未來一定會以一種我們從未看到過、聽到過，甚至從未想象過的方式出現，打破我們曾深信不疑的論斷。也許這里應借用計算機科學家艾倫·凱（Alan Kay）說過的一句話來回答：“預測未來最好的方式就是把它發明出來。”

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