IC制造未雨绸缪 硅基IC不越摩尔定律雷池
时间：2006-11-16 11:37:00
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在IC领域，制造工艺决定了最终的设计能否实现，从本质上来讲，它是制造决定设计的产业。在这个领域里面，使用这种手段最为纯熟的乃是IBM、Intel这样的厂商。
但是，IC制造的发展速度由于IC业的竞争，已经快要到材料的极限，电路之间的隔层差不多快要到原子级别，一些以前不会出现的问题逐渐显现。比如制作半导体需要参杂的工艺，就需要控制具体的数量，而不能如同以前一样，任由杂质进行自由组合，这将大大增加IC制造的难度；半导体的绝缘层也将因为光刻化学药品本身的特性，凹凸不平的程度将直接影响IC能否正常运行，身为IBM院士的陈自强博士指出，当电路之间的隔层宽度可能为320埃，而其中的凹坑就有可能为80埃，那就意味着，在一些极端的地方，隔层宽度只有160埃……到时候，目前的材料还能用么？
硅基IC不越摩尔定律雷池
尽管这是未来15年以后的事情，专注前沿科技研究的科学家已经等不及了。不仅是因为材料限制，在22nm以下的工艺，无法使得电路稳定运行，还会因为集成过于大量的晶体管，使得处理器的功率达到惊人的地步。
我们可以看到，在过去的几年里，我们并没有因为生产工艺的提高带来功耗的真正大幅度降低，反而因为频率和晶体管数量的大幅度增加而有所增加，这就是目前IC前沿研究所需要急切解决的问题。同时，因为CMOS晶体管的绝缘层的距离大大变小，降低的阈值将会低于1V，那就意味着，IC受到干扰的概率大大增加，而供电电流会成几百安培的规模，的确是相当骇人的。
但是，摩尔定律并没有因此而被打破，在它提出的将近40年的时间里，半导体行业一直小心地遵循摩尔定律，不越雷池。根据IBM研究院Thomas J.Watson研究中心科技副总裁陈自强的博士说，在可见的未来，摩尔定律仍然不会被打破，尽管IC领域的人们散失了对频率追逐的兴趣，但是多核布局还将让摩尔定律大放光彩。
多核乃是目前遵循摩尔定律不得已的办法。现在，Intel的65nm工艺的四核处理器已然如同陈兵百万，蓄势而出，TI的65nm工艺也已经进入了量厂。但是，我们发现，在IC领域，更多是自己与自己竞争，缺乏对所服务行业的支持，成为IC领域过度竞争的明证。
从技术上看，IC领域是不用扬鞭自奋蹄，跑得比谁都快，依然还要追求更快，把自己逼上了梁山，IC领域在材料上的瓶颈也随之而来。
我们现在需要这么先进的技术么？比如降低工作电压，的确提高了频率，并且降低了同性能下的功率消耗，但是性能的追求使得芯片集成度大大增加，反而使得功耗大幅度上涨，并且对外界的干扰也逐渐敏感。在一些复杂的环境里，反而不太可用。
另外，工艺的大幅度提升，这种累进的技术成果并没有完全在产品上得到继承，反而使得进入IC领域的门槛提高，并且增加了产量上的压力。为了养活这样的工厂，大量的设计和想法都必须要成为芯片，才有可能使得产业链成活。
那么，解决这个问题还有什么招数？陈博士介绍说，主要有替代材料的研究、逻辑创新和系统创新三个方面。
替代材料紧俏
在替代材料的研究中，碳纳米管是其中的核心。因为碳纳米管的特性，跟晶体管的特性很相近，IBM已经首先使用碳纳米管实现了5个集成，运行频率达到了75MHz，这远远不是碳纳米管的实际能力，根据介绍，它的运行潜在频率高达950GHz。陈博士介绍说，目前最大的问题是这种材料的提纯很难，导致进入工程化的阶段速度大大降低，另外，这种材料的集成度一时很难提高。
除了碳纳米管的电特性，它的光电特性也十分诱人，不像传统的LED，它可以在整个导电的长度内都能发光。意味着有可能通过这个制造激光或者实现IC内部的通信。陈博士说，能否成为目前IC的替代品，必须遵循几个原则，最重要的是集成度能不能上去。
因而，实际上除了碳纳米管目前可用之外，还有一些其他的技术正在研究之中。比如通过控制电子自旋实现逻辑表示，从而能够实现存储密度的大幅度上升，它可以在一个很小的垂直高度上堆叠达到100层，这就意味着存储容量的百倍上升。问题是，这样的逻辑实现起来有难度，集成度很难提高到需要的程度，进入实用仍需时日，不过这种逻辑的耗电非常低，现在的研究表明大约为目前模式的1/1000000，这样超低功耗IC的研究将成为可能。
除了目前用过的一些材料，科学家们开始在根据元素周期表来选择一些新的材料，用于IC的制造之中。
当然了，半导体的科学家还在考虑其他的办法，比如分子的链式反应实现信息传递和计算，通过光子实现的计算以及DNA。不过，在有一段时间比较热的非对称逻辑，并没有成为目前研究的逻辑替代方案。
我们现在能做什么？
如果说IC是技术推动的还不如说是IC制造推动的，每一代的技术进步都将带来巨大的性能的提升，很显然，有些层面，目前的IC已经超越了我们的需求。我们需要服务的产业远远被IT产业抛在了后面，那么，现在需要做的，就是调转头来，从需求的角度来设计IC。
IBM、索尼和东芝合作的Cell就是这样的产物。它的结构相当有趣，各个模块并不复杂，各个协处理基元可以根据需要进行单独的设定，比如特别定制为处理音频或者视频。像游戏这种需要大量处理图形数据的应用，激发了这种新的模式，陈博士认为，不仅寻找替代材料是当务之急，对目前系统级别的创新也是必要的。在编译器、系统价格的创新使得Cell成为应用很广的处理器系统。
现在，Cell除了用在索尼的PS3之外，还被用在IBM的刀片服务器上，以及图形工作站也将使用这个处理器。由于处理器具备灵活的可定制特性，使得Cell将成为未来处理器设计的样板。
多个核之后，还会对称运算吗？显然是不充分的，这将浪费大量资源，因而，当制造提供很大潜在能力的时候，新的需求就要求系统设计必须有前瞻能力。因而，那种根据应用搭配的处理器，针对不同应用的优化将成为主流元素。比如，一个8个核的处理器，可进行计算分布，把一部分分给通用计算，把一部分留给图形运算，这个时候，估计GPU也能集成到其中去了。
系统创新是一个系统工程，却尤其不适合像Wintel这样的松散联盟，倒是十分适合索尼PS3以及IBM、SUN等能够自己整合硬件和软件的系统，才将成为未来多核的中坚力量。
3D芯片也是目前的应急方案。Intel以及IBM都在研究这种芯片的刻蚀技术。3D的晶体管将不是目前平面上刻蚀出来，而是雕刻出来一样，控制晶体管导通的跨越源极和基极，3D晶体管可以进行跨接，实现3D互通，从而降低芯片的功耗，但是成品率以及测试成本估计要上升。
现在预言IC未来15年以后的事情，是不恰当的，整个世界变换如此之快，很难根据现在的情况去看清楚未来的事情，但是我们有一点可以相信，IC替代还是有足够的空间留给我们的IC设计和制造走向成熟，若非如此，又赶不上了……
但是，IC制造的发展速度由于IC业的竞争，已经快要到材料的极限，电路之间的隔层差不多快要到原子级别，一些以前不会出现的问题逐渐显现。比如制作半导体需要参杂的工艺，就需要控制具体的数量，而不能如同以前一样，任由杂质进行自由组合，这将大大增加IC制造的难度；半导体的绝缘层也将因为光刻化学药品本身的特性，凹凸不平的程度将直接影响IC能否正常运行，身为IBM院士的陈自强博士指出，当电路之间的隔层宽度可能为320埃，而其中的凹坑就有可能为80埃，那就意味着，在一些极端的地方，隔层宽度只有160埃……到时候，目前的材料还能用么？
硅基IC不越摩尔定律雷池
尽管这是未来15年以后的事情，专注前沿科技研究的科学家已经等不及了。不仅是因为材料限制，在22nm以下的工艺，无法使得电路稳定运行，还会因为集成过于大量的晶体管，使得处理器的功率达到惊人的地步。
我们可以看到，在过去的几年里，我们并没有因为生产工艺的提高带来功耗的真正大幅度降低，反而因为频率和晶体管数量的大幅度增加而有所增加，这就是目前IC前沿研究所需要急切解决的问题。同时，因为CMOS晶体管的绝缘层的距离大大变小，降低的阈值将会低于1V，那就意味着，IC受到干扰的概率大大增加，而供电电流会成几百安培的规模，的确是相当骇人的。
但是，摩尔定律并没有因此而被打破，在它提出的将近40年的时间里，半导体行业一直小心地遵循摩尔定律，不越雷池。根据IBM研究院Thomas J.Watson研究中心科技副总裁陈自强的博士说，在可见的未来，摩尔定律仍然不会被打破，尽管IC领域的人们散失了对频率追逐的兴趣，但是多核布局还将让摩尔定律大放光彩。
多核乃是目前遵循摩尔定律不得已的办法。现在，Intel的65nm工艺的四核处理器已然如同陈兵百万，蓄势而出，TI的65nm工艺也已经进入了量厂。但是，我们发现，在IC领域，更多是自己与自己竞争，缺乏对所服务行业的支持，成为IC领域过度竞争的明证。
从技术上看，IC领域是不用扬鞭自奋蹄，跑得比谁都快，依然还要追求更快，把自己逼上了梁山，IC领域在材料上的瓶颈也随之而来。
我们现在需要这么先进的技术么？比如降低工作电压，的确提高了频率，并且降低了同性能下的功率消耗，但是性能的追求使得芯片集成度大大增加，反而使得功耗大幅度上涨，并且对外界的干扰也逐渐敏感。在一些复杂的环境里，反而不太可用。
另外，工艺的大幅度提升，这种累进的技术成果并没有完全在产品上得到继承，反而使得进入IC领域的门槛提高，并且增加了产量上的压力。为了养活这样的工厂，大量的设计和想法都必须要成为芯片，才有可能使得产业链成活。
那么，解决这个问题还有什么招数？陈博士介绍说，主要有替代材料的研究、逻辑创新和系统创新三个方面。
替代材料紧俏
在替代材料的研究中，碳纳米管是其中的核心。因为碳纳米管的特性，跟晶体管的特性很相近，IBM已经首先使用碳纳米管实现了5个集成，运行频率达到了75MHz，这远远不是碳纳米管的实际能力，根据介绍，它的运行潜在频率高达950GHz。陈博士介绍说，目前最大的问题是这种材料的提纯很难，导致进入工程化的阶段速度大大降低，另外，这种材料的集成度一时很难提高。
除了碳纳米管的电特性，它的光电特性也十分诱人，不像传统的LED，它可以在整个导电的长度内都能发光。意味着有可能通过这个制造激光或者实现IC内部的通信。陈博士说，能否成为目前IC的替代品，必须遵循几个原则，最重要的是集成度能不能上去。
因而，实际上除了碳纳米管目前可用之外，还有一些其他的技术正在研究之中。比如通过控制电子自旋实现逻辑表示，从而能够实现存储密度的大幅度上升，它可以在一个很小的垂直高度上堆叠达到100层，这就意味着存储容量的百倍上升。问题是，这样的逻辑实现起来有难度，集成度很难提高到需要的程度，进入实用仍需时日，不过这种逻辑的耗电非常低，现在的研究表明大约为目前模式的1/1000000，这样超低功耗IC的研究将成为可能。
除了目前用过的一些材料，科学家们开始在根据元素周期表来选择一些新的材料，用于IC的制造之中。
当然了，半导体的科学家还在考虑其他的办法，比如分子的链式反应实现信息传递和计算，通过光子实现的计算以及DNA。不过，在有一段时间比较热的非对称逻辑，并没有成为目前研究的逻辑替代方案。
我们现在能做什么？
如果说IC是技术推动的还不如说是IC制造推动的，每一代的技术进步都将带来巨大的性能的提升，很显然，有些层面，目前的IC已经超越了我们的需求。我们需要服务的产业远远被IT产业抛在了后面，那么，现在需要做的，就是调转头来，从需求的角度来设计IC。
IBM、索尼和东芝合作的Cell就是这样的产物。它的结构相当有趣，各个模块并不复杂，各个协处理基元可以根据需要进行单独的设定，比如特别定制为处理音频或者视频。像游戏这种需要大量处理图形数据的应用，激发了这种新的模式，陈博士认为，不仅寻找替代材料是当务之急，对目前系统级别的创新也是必要的。在编译器、系统价格的创新使得Cell成为应用很广的处理器系统。
现在，Cell除了用在索尼的PS3之外，还被用在IBM的刀片服务器上，以及图形工作站也将使用这个处理器。由于处理器具备灵活的可定制特性，使得Cell将成为未来处理器设计的样板。
多个核之后，还会对称运算吗？显然是不充分的，这将浪费大量资源，因而，当制造提供很大潜在能力的时候，新的需求就要求系统设计必须有前瞻能力。因而，那种根据应用搭配的处理器，针对不同应用的优化将成为主流元素。比如，一个8个核的处理器，可进行计算分布，把一部分分给通用计算，把一部分留给图形运算，这个时候，估计GPU也能集成到其中去了。
系统创新是一个系统工程，却尤其不适合像Wintel这样的松散联盟，倒是十分适合索尼PS3以及IBM、SUN等能够自己整合硬件和软件的系统，才将成为未来多核的中坚力量。
3D芯片也是目前的应急方案。Intel以及IBM都在研究这种芯片的刻蚀技术。3D的晶体管将不是目前平面上刻蚀出来，而是雕刻出来一样，控制晶体管导通的跨越源极和基极，3D晶体管可以进行跨接，实现3D互通，从而降低芯片的功耗，但是成品率以及测试成本估计要上升。
现在预言IC未来15年以后的事情，是不恰当的，整个世界变换如此之快，很难根据现在的情况去看清楚未来的事情，但是我们有一点可以相信，IC替代还是有足够的空间留给我们的IC设计和制造走向成熟，若非如此，又赶不上了……
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