【半导体】IMEC发布芯片微缩路线图：2036年进入0.2nm时代

由于数字应用和数据处理的迅速兴起，计算能力需求呈爆炸式增长。随着越来越多地使用人工智能来应对我们这个时代的主要挑战，例如气候变化或粮食短缺，从现在开始，计算需求预计每六个月就会翻一番。为了以可持续的方式处理呈指数级增长的数据量，我们需要改进的高性能半导体技术。为了实现这一目标，我们需要同时应对五个挑战。虽然世界上没有一家公司可以单独完成这一目标，但整个半导体生态系统的共同创新和协作将使摩尔定律得以延续：这是 imec 未来 15 至 20 年雄心勃勃的路线图的关键信息。

一次五面墙

缩放墙：纯光刻支持的缩放正在放缓。由于微芯片和晶体管的单个结构正在接近原子的大小，量子效应开始干扰微芯片的运行，这变得越来越困难。内存墙：系统性能面临内核和内存之间的数据路径限制。事实上：内存带宽跟不上处理器性能。我们每秒有更多的触发器而不是每秒千兆字节。功率墙：将功率引入芯片并从芯片封装中提取热量变得越来越具有挑战性，因此我们必须开发改进的功率传输和冷却概念。可持续性墙：半导体设备的制造导致环境足迹不断增加，包括温室气体和水、自然资源和电力消耗。成本墙：显然，芯片制造成本可能会随着复杂性的增加以及设计和工艺开发成本的增加而激增。

拆墙

乍一看，戈登摩尔的预言看起来并不那么美好，他首先指出密集集成电路 (IC) 中的晶体管数量大约每两年翻一番。如果我们顽固地坚持 Dennard 缩放和传统的 Von Neumann 计算架构，这种预测尤其正确。在其扩展路线图中，imec 为芯片技术的未来提出了一条替代路径，在架构、材料、晶体管的新基本结构以及……范式转变方面进行了根本性的改变。到 2036 年，imec 路线图将使我们从 7 nm 到 0.2 nm 或 2 ångström，保持两到两年半的介绍速度。首先，光刻技术的不断进步将是进一步缩小尺寸的关键：传统的光刻技术使用光，而如今，光的波长大于图案所需的精度。这就是引入极紫外 (EUV) 光刻的原因。它现在出现在越来越多的用于批量生产的功能性生产带上。EUV 将把我们从5纳米时代带到2纳米时代。为了变得更小，我们需要 EUV 的更新版本，High NA-EUV，以及更大的镜头。它们的直径为 1 米，精度为 20 皮米。对于High NA EUV，ASML 正在开发的第一个原型将于 2023 年面世。预计在 2025 年或 2026 年的某个时候投入大批量生产。为了降低在制造业中引入的风险，imec 与阿斯麦正在紧密合作。同时我们还需要晶体管架构的创新。如今，几乎所有芯片制造商都使用FinFET晶体管制造微芯片。然而，进入 3nm 代时，FinFET 受到量子干扰，导致微芯片运行中断。接下来是环栅 (GAA)或纳米片晶体管，由纳米片堆叠而成，它将提供改进的性能和改善的短沟道效应。从 2 nm 开始，这种架构将是必不可少的。三星、英特尔和台积电等主要芯片制造商已经宣布，他们将在其 3 纳米和/或 2 纳米节点中引入 GAA 晶体管。forksheet 晶体管是 imec 的发明，甚至比 nanosheet 晶体管更密集，将 gate-all-around 概念扩展到 1 nm 一代。forksheet 架构在负沟道和正沟道之间引入了屏障，使沟道更加靠近。该架构有望使单元尺寸缩小 20%。通过将负沟道和正沟道相互叠加，可以实现进一步的缩放，称为互补 FET (CFET) 晶体管，是 GAA 的复杂垂直继承者。它显着提高了密度，但以增加工艺复杂性为代价，尤其是接触晶体管的源极和漏极。随着时间的推移，CFET 晶体管将采用原子厚度的新型超薄二维单层材料，如二硫化钨 (WS2) 或钼。该器件路线图与光刻路线图相结合，将带我们进入埃格斯特伦时代。这些亚 2 纳米晶体管的系统级还面临着另外两个挑战。内存带宽跟不上 CPU 性能。处理器的运行速度不能超过从内存中获取数据和指令的速度。要推倒这堵“内存墙”，内存必须离芯片更近。拆除内存墙的一种有趣方法是 3D 片上系统 (3D SOC) 集成，它超越了当今流行的小芯片方法。按照这种异构集成方法，系统被划分为独立的芯片，这些芯片在三维中同时设计和互连。例如，它将允许在核心逻辑设备上为 level-1-Cash 堆叠一个 SRAM 内存层，从而实现内存与逻辑的快速交互。关于与系统相关的挑战，为芯片提供足够的功率并散发热量变得更加困难。然而，一个解决方案就在眼前：配电现在从晶圆顶部穿过十多个金属层到达晶体管。Imec 目前正在研究晶圆背面的解决方案。我们会将电源轨沉入晶圆，并使用更宽、电阻更小的材料中的纳米硅通孔将它们连接到背面。这种方法将电力传输网络与信号网络分离，提高整体电力传输性能，减少路由拥塞，并最终允许进一步标准单元高度缩放。最后，半导体制造是有代价的。它需要大量的能源和水，并产生危险废物。但整个供应链需要致力于解决这个问题，而生态系统方法将是必不可少的。去年，imec 启动了可持续半导体技术和系统 (SSTS) 研究计划，该计划汇集了半导体价值链的利益相关者——从亚马逊、苹果和微软等大型系统公司到供应商，包括 ASM、ASML、KURITA、SCREEN、和东京电子。目标是减少整个行业的碳足迹。该计划评估新技术对环境的影响，确定影响大的问题，并在技术开发的早期定义更环保的半导体制造解决方案。

模式转变

从长远来看，冯诺依曼架构需要彻底改革。冯·诺依曼教授将数字计算机视为一个具有输入、中央处理器和输出的系统。但我们需要向特定领域和应用程序相关的架构发展，大规模并行化可与人脑的工作方式相媲美。这意味着 CPU 将扮演更小的角色，有利于为特定工作负载定制电路。这种范式转变，加上前方的障碍，标志着半导体行业有趣时代的开始。我们需要在整个半导体生态系统中进行共同创新和协作：代工厂、IDM、无晶圆厂、fab-lite、设备和材料供应商。不仅仅是为了满足摩尔定律，而是因为半导体是高性能深度技术应用的核心，可以在应对气候变化、可持续交通、空气污染和食物短缺等我们这个时代的挑战方面取得有影响力的进展. 赌注很高。
来 源| 半导体行业观察

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