“扩展摩尔”

随着“延续摩尔”遇到的障碍越来越大，人们开始寻找其他解决路径。2005年，ITRS提出了“扩展摩尔”的概念。这条路径追求的不是缩小单个晶体管的尺寸，而是增加系统功能的多样性，在一个芯片上集成和实现丰富的功能。

这条路径关注的不是CPU和存储器这些需要最先进工艺的数字芯片，而是模拟、功率、传感以及数模混合芯片，它们不需要最小的晶体管，但能实现丰富的应用场景。

“扩展摩尔”根据顶层的应用与需求来拉动技术的发展，其中一个最大的需求就是物联网。过去几十年中，个人电脑和手机先后普及，但数量已经趋近饱和，将来的数量至多再提高3倍。而未来的物联网设备，包括智能家居、健康监测、自动驾驶汽车、环境监测等，还会增加3个数量级，构成一个无处不在的物联网世界。例如，自动驾驶汽车里需要激光测距雷达、超声波传感器、加速度计等多种传感器；医疗领域需要可穿戴式的生理信号监测设备，以及为了抑制癫痫发作的植入式传感器和电流刺激芯片等；环境监测领域需要能探测各种二氧化碳、硫化物等污染物的传感器芯片。这些传感器需要跟CPU、存储器等集成在一起，从而实现丰富的功能。

此外，我们也需要高效的电源，想要实现极低的功耗，满足便携或移动设备的要求。我们同样需要用高信噪比的传感器和模拟电路来感知或采集微弱的生理信号、危险气体的浓度等。我们也需要满足各种频段的无线射频电路，实现更多样的无线连接。

另外一个有“扩展摩尔”需求的是能源领域。与硅相比，氮化镓和碳化硅等半导体材料的性能更优异，用它们制成的功率器件可以在相同的耐受电压下提供更高的开关频率，或者在相同的耐受电压和开关频率下有更低的导通和开关损耗。

此外，人们也将对能量收集技术产生极大的需求，因为许多传感器安置在露天环境中，没有市电供电，也不方便更换电池。而能量收集的途径可以是机械振动、冷热温差或者无线电波、光线等，这将大大地延长芯片的工作时长。

最后，柔性电子将在基于织物的可穿戴设备、折叠屏幕、薄膜太阳能电池等方面发挥作用。未来相当一部分柔性电子设备将通过打印在柔性基材上的方式制造出来，但这需要业界在有机材料和碳基材料上取得进一步突破。

从2017年开始，一种叫作小芯片（Chiplet）的技术引起了业界，尤其是超威半导体公司的兴趣。以往，人们尽量将不同的电路模块集成到一颗芯片上，以降低成本。但是人们发现，加工的芯片面积越大，芯片良率（晶圆片上性能良好的裸芯片的比率）越低，进而推高了成本。反之，将大芯片拆成小芯片则能提高良率，降低成本。

于是，一种相反的趋势出现了：将大芯片拆解成尺寸较小的单个芯片，分别制造，然后再通过封装技术合成在一起（见图14-5）。这有点像先制造小块的乐高积木，然后将其拼成一个更大的整体。例如，将一颗面积为360平方毫米的芯片拆成4颗小芯片分别制成，它的良率将提高两倍多。在这一趋势下，未来CPU中的内核会越来越多。超威半导体公司的一款“霄龙”处理器（简称EPYC）中有8个小芯片，每个小芯片中又有8个内核，总共有多达64个内核。

小芯片技术为芯片系统增加了一个自由度，即每个小芯片的制造都可以自由地采用最佳性价比的工艺，CPU和内存采用先进工艺以提高算力，而模拟和射频等则采用较为低价的成熟工艺，以降低整体成本。

图14-5 将单一芯片（a）拆分为小芯片（b）分别制成，并通过下方基板互连起来

1958年到1959年基尔比和诺伊斯发明集成电路时，他们分别解决了集成和互连的问题。现在60多年过去了，我们仍然走在追求如何更好地集成和互连的路上。集成的方式从平面走向了三维，从单芯片走向了多芯片，从单一电路互连走向了数字、模拟、射频、传感器等多种电路的集成，从硅集成走向了硅、碳、锗等元素的共同集成，从平面互连走向了立体互连。

“超越摩尔”

大数据、物联网、人工智能和超级计算等新技术的计算需求对芯片性能和能效提出了更高的要求，于是就有了第三条路：“超越摩尔”，又叫“超越CMOS”，即在主流的CMOS技术之外寻找更好的可能。

硅晶体管中的漏电流一直是科学家的心头大患。为此，人们发明了TFET（其结构见图14-6）。它利用导带与价带之间的量子隧穿效应，控制晶体管的开与关，使漏电流更小、导通电流更大，突破了传统晶体管中的麦克斯韦-玻尔兹曼统计限制，使得亚阈值摆幅低于60 mV/dec的下限。不过，TFET的源极与漏极不再像MOS场效晶体管那样同为P型半导体或同为N型半导体，而是一边为P型半导体，另一边为N型半导体，这对器件制造和应用提出了新的挑战。

图14-6 TFET的结构

硅材料虽然适合大规模生产，储藏丰富，还有一个天然稳定的绝缘氧化层，但它也有难以克服的缺点：电子迁移率低，导致开关速度不高；散热特性一般，限制了芯片的工作频率。这些问题都让“延续摩尔”之路变得困难重重。

而碳材料则在迁移率、小尺寸和散热特性方面具有优势。在实验室中，研究者已经用碳纳米管制成了CNTFET（见图14-7），结构类似于硅MOS场效晶体管，只是将中间的导电沟道换成迁移率更好、散热性更好、尺寸更小的碳纳米管。目前，人们仍在解决大规模制备方面的挑战。

图14-7 CNTFET注：俯视图（a）和侧视图（b）

无论是BJT，还是MOS场效晶体管等器件，都是用电子作为信息处理的媒介，创新的思路则是采用速度更快的光子。光子没有散热问题，不受电子噪声影响，而且光信号延迟小、通信带宽远高于电信号。此外，用硅材料就能做出各种光处理器件（光波导、光滤波器和光连接器等），它们很容易就能集成到CMOS芯片中，从而大大地降低成本。制造光互连处理器已经开始变得可能。不过，硅光电子仍需要突破一些技术瓶颈才能进入实际应用。

1970年，加州大学伯克利分校的蔡少棠（Leon Chua）教授发现，当时已有三种基本元件：电阻器，负责关联电压和电流；电容器，负责关联电压和电荷；电感器，负责关联电流和磁通量。但电荷与磁通量是否可以有直接关联呢？蔡少棠提出，或许存在第四种基本元件能将电荷和磁通量直接关联，他将其命名为忆阻器（memristor）（见图14-8）。2008年，惠普实验室威廉姆斯领导的团队做出了单器件结构的忆阻器，仅仅由两端的金属和中间的氧化物构成。

忆阻器具有电阻记忆效应，掉电后能维持电阻数值，在脉冲信号的激励下能改变电阻值，就像大脑的突触在神经元脉冲的刺激下改变连接强度，能作为人工电子突触模拟大脑中的化学突触，实现学习记忆功能。忆阻器的尺寸可以做到纳米级，但是在制备良率以及器件一致性方面仍有较大的改进空间。

除此之外，人们在自旋场效晶体管（简称Spin-FET）、PCRAM、RRAM、磁阻式随机存取存储器（简称MRAM）、柔性薄膜晶体管（简称FTFT）等方面也展开了研究，但由于传统器件成本低、产量大，这些新型器件的优势还无法体现出来，不能在短期内替代现有器件。

图14-8 四种基本元件之间的关系

注：图中呈现了三种基本元件（电阻器、电容器和电感器）和蔡少棠设想的第四种基本元件——忆阻器彼此间的关联性。

不过，“危”中藏“机”。晶体管缩小之路的终结也许是一个好消息，因为此前业界的绝大部分经费和人力都投到了硅MOS场效晶体管器件的相关研究中，以维持其按照摩尔定律预测的速度前进。现在，MOS场效晶体管尺寸缩小之路的结束将为非MOS场效晶体管器件的发展让出一条路。

在芯片设计的EDA领域，随着芯片中数字、模拟、射频等电路融合在一个系统中，电磁干扰将更加复杂，散热问题与性能退化需要更小心地应对，不同电路之间的接口也变得更加复杂。最近几年，人工智能开始用于解决芯片布线问题，以寻找最优解。

在应用层面，为了满足不同场景下的计算需求，人们正在研究高带宽存储器（简称HBM）、存内计算、近存计算、神经形态计算、近似计算和集感存算为一体的芯片技术。

这些设想将来都能实现吗？我们目前还无法确知，但它们未来一定会以一种我们从未看到过、听到过，甚至从未想象过的方式出现，打破我们曾深信不疑的论断。也许这里应借用计算机科学家艾伦·凯（Alan Kay）说过的一句话来回答：“预测未来最好的方式就是把它发明出来。”

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