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SIA重磅報(bào)告：半導(dǎo)體未來(lái)的機(jī)會(huì)（上）
眾所周知，半導(dǎo)體技術(shù)是數(shù)字和信息時(shí)代的基礎(chǔ)技術(shù)。在半導(dǎo)體行業(yè)，如果想要技術(shù)開(kāi)展技術(shù)革新，可能的研究方向又有哪些?美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)日前發(fā)布了一份名為《半導(dǎo)體研究機(jī)會(huì)：一份產(chǎn)業(yè)前景和指導(dǎo)》的報(bào)告，對(duì)以上問(wèn)題作出回答。
SIA指出，通過(guò)這些研究方向的前瞻將反過(guò)來(lái)開(kāi)啟多種應(yīng)用和技術(shù)的大門，從而促進(jìn)和支持眾多經(jīng)濟(jì)部門。在推進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)繼續(xù)升級(jí)的同時(shí)，對(duì)現(xiàn)存技術(shù)以外的一系列領(lǐng)域的開(kāi)拓和關(guān)鍵性研究也至關(guān)重要。
而在過(guò)去幾十年，通過(guò)高水平的研究和開(kāi)發(fā)投入，半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新速度得到了顯著提升。2016年，全球半導(dǎo)體行業(yè)的研發(fā)投入占總收入的15.5%，總計(jì)565億美元，高于世界上任何行業(yè)。制造更快、更好、更廉價(jià)芯片，且要求它們具有較低的計(jì)算功耗和優(yōu)秀的功能，這些需求的一個(gè)關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)力是：IC上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍，這就是已經(jīng)活躍了幾十年的摩爾定律。
但這種傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體技術(shù)正在成熟，以摩爾定律為驅(qū)動(dòng)的路線圖似乎觸到了天花板，業(yè)界迫切需要一種新的超越硅基的路線圖。馮·諾依曼計(jì)算領(lǐng)域提出了更多性能要求，如低功耗、低電壓、超CMOS邏輯和存儲(chǔ)器件及相關(guān)材料。而在非馮·諾依曼計(jì)算中，新的存儲(chǔ)元件和材料將促進(jìn)半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新。
為了使半導(dǎo)體性能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提升，眾多半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)正在研究一種綜合性方法，能夠兼顧半導(dǎo)體技術(shù)的方方面面，包括新材料、新制造技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新系統(tǒng)架構(gòu)和應(yīng)用。未來(lái)，基于半導(dǎo)體的系統(tǒng)——無(wú)論是小型傳感器、高性能計(jì)算機(jī)還是其間的系統(tǒng)——都必須最大限度地提高性能，同時(shí)最大限度地減少能源使用并保證安全性和可靠性。
本報(bào)告提出了若干半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展愿景，這些研究議程說(shuō)明，未來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)將能夠在諸如人工或增強(qiáng)智能(AI)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、高性能計(jì)算(HPC)系統(tǒng)和社會(huì)所期待和依賴世界等應(yīng)用和領(lǐng)域中取得突破性進(jìn)展。
要想將新應(yīng)用推向現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)，清晰的研究視野是至關(guān)重要的。本報(bào)告的目的就是為了確定，在半導(dǎo)體行業(yè)和價(jià)值鏈中需要優(yōu)先考慮的一系列研究投資。2016年至2017年的九個(gè)月內(nèi)，不同的行業(yè)專家團(tuán)隊(duì)和領(lǐng)導(dǎo)人共聚一堂，討論并概述了影響行業(yè)進(jìn)步至關(guān)重要的若干領(lǐng)域，用以指導(dǎo)未來(lái)的研究投入。這些領(lǐng)域是：
1.先進(jìn)的設(shè)備、材料和封裝
2.互連技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)
3.智能存儲(chǔ)與內(nèi)存
4.電源管理
5.傳感器和通信系統(tǒng)
6.分布式計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)
7.認(rèn)知計(jì)算
8.基于生物學(xué)的計(jì)算和存儲(chǔ)
9.先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)和算法
10.安全和隱私
11.設(shè)計(jì)工具、方法和測(cè)試
12.下一代制造模式
想象一下在未來(lái)，分布式網(wǎng)絡(luò)傳感器、大數(shù)據(jù)中心和計(jì)算能力相結(jié)合，進(jìn)一步促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新并提高生活質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)這樣的愿景，需要一個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)研究的廣泛平臺(tái)做支撐。該平臺(tái)的指導(dǎo)目標(biāo)是，使計(jì)算模式能夠從根本上提高能源效率、性能和功能，同時(shí)確保足夠的安全性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，迫切需要對(duì)超越傳統(tǒng)的CMOS器件和電路、馮諾依曼結(jié)構(gòu)以及信息處理方法進(jìn)行研究。另外，還需要研發(fā)新材料和可擴(kuò)展工藝，產(chǎn)生新的制造模式，并將這些新技術(shù)融入到產(chǎn)品制作中。
制定本研究議程的不同專家小組經(jīng)過(guò)討論，最終確定了若干待研究領(lǐng)域，它們相互依存，并與技術(shù)“堆?！敝械亩鄠€(gè)層次相關(guān)。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的工藝需要跨學(xué)科的方法和在各個(gè)層面上工作的科學(xué)家和工程師之間的協(xié)作。
行業(yè)專家團(tuán)隊(duì)確定了以下亟待開(kāi)拓的14個(gè)研究領(lǐng)域，以維持美國(guó)在先進(jìn)計(jì)算系統(tǒng)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位：
(一)先進(jìn)的設(shè)備、材料和封裝
想要顯著提高新型信息處理系統(tǒng)的能源效率和性能，需要具有獨(dú)特特征設(shè)備，而且很可能是基于非常規(guī)機(jī)制的設(shè)備。除了目前在縮放CMOS和常規(guī)架構(gòu)中的研究需求和挑戰(zhàn)之外，新型器件還要考慮諸如神經(jīng)形態(tài)架構(gòu)等替代架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和要求。業(yè)界可以開(kāi)發(fā)這樣的設(shè)備以進(jìn)一步改進(jìn)馮諾依曼計(jì)算(例如，具有陡峭斜率的低功率設(shè)備)或支持非諾曼·諾依曼計(jì)算的體系。
新興設(shè)備和機(jī)制通常需要不同性能的材料，這要求業(yè)界對(duì)替代材料系統(tǒng)和相關(guān)接口性質(zhì)進(jìn)行廣泛研究，例如III-V、SiGe、碳基、低維(2D)、多鐵、鐵電、磁性、相變和金屬絕緣體過(guò)渡材料。新材料系統(tǒng)的研發(fā)，需要精確的原子沉積和去除(蝕刻和清潔)方法，以便滿足大面積適用性、低缺陷、緊密幾何結(jié)構(gòu)(亞10 nm)、3D集成，以及高吞吐量等要求。
安全性的實(shí)現(xiàn)主要在諸如，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法、協(xié)議以及具有適合于安全的固有特征的材料和設(shè)備(例如，真實(shí)的隨機(jī)性或不可克隆性)等方面中實(shí)現(xiàn)，但在硬件中，實(shí)現(xiàn)魯棒安全特征的潛力也依然存在。設(shè)備和架構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化對(duì)于充分利用設(shè)備特性并提高架構(gòu)性能至關(guān)重要。
先進(jìn)的3D集成和封裝技術(shù)可實(shí)現(xiàn)垂直擴(kuò)展和功能多樣化，通過(guò)異構(gòu)整合可能提升系統(tǒng)性能和功能。 除了工藝創(chuàng)新之外，材料和設(shè)備的進(jìn)步也可能推動(dòng)封裝技術(shù)的發(fā)展，并拓寬3D集成的應(yīng)用。
從小型嵌入式傳感器到異構(gòu)“片上系統(tǒng)”，產(chǎn)品的多樣性和復(fù)雜性日益增加，對(duì)封裝技術(shù)的挑戰(zhàn)也越來(lái)越大?，F(xiàn)今的異構(gòu)系統(tǒng)集成了以前被降級(jí)為板級(jí)集成的元件，例如各種無(wú)源元件(電容器、電感器等)和有源元件(天線和通信設(shè)備，如濾波器)以及存儲(chǔ)器和邏輯結(jié)構(gòu)。今天的系統(tǒng)級(jí)集成允許每單位體積具有更多的功能。然而，它也突出了多種挑戰(zhàn)，比如封裝內(nèi)功率如何更好的傳遞到更多功能塊，熱密度管理和信號(hào)完整性維護(hù)等。這種趨勢(shì)還將導(dǎo)致裝配復(fù)雜性和成本的增加，以及相關(guān)的可靠性和測(cè)試要求。
應(yīng)用領(lǐng)域的快速增長(zhǎng)正在對(duì)封裝技術(shù)提出具體要求。在高性能計(jì)算中，I / O帶寬密度瓶頸和熱管理限制了整體封裝系統(tǒng)的性能，這個(gè)問(wèn)題重新點(diǎn)燃了業(yè)界對(duì)芯片間通信金屬導(dǎo)體替代品的濃厚興趣。先進(jìn)的汽車應(yīng)用正在推動(dòng)新需求的產(chǎn)生——能夠承受更高熱度和功率密度的新型包裝材料，以及能提高可靠性的更堅(jiān)固的材料界面。移動(dòng)消費(fèi)應(yīng)用正在加強(qiáng)嚴(yán)格的形式因素限制，這推動(dòng)了封裝技術(shù)的創(chuàng)新。移動(dòng)領(lǐng)域最新進(jìn)展包括芯片級(jí)封裝、fan-out晶圓級(jí)封裝的進(jìn)步、采用3D / 2.5D的集成技術(shù)。IoT產(chǎn)品需要低成本的封裝技術(shù)，同時(shí)也需要?jiǎng)?chuàng)新，例如，用于可穿戴設(shè)備和其他新興應(yīng)用的靈活的、可拉伸的電子器件的封裝。
潛在的研究課題
(1)低功耗、低電壓、超CMOS邏輯和存儲(chǔ)設(shè)備以及馮·諾依曼計(jì)算的相關(guān)材料：
(2)高開(kāi)關(guān)比率的陡坡設(shè)備;
– 隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管(TFET)等新型隧道晶體管，如共振隧穿晶體管;
– 具有柵極堆疊增益的晶體管，例如負(fù)電容FET
(3)基于相變、晶格畸變、界面機(jī)制和其他轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的器件：
– Mott過(guò)渡器件、CDW的器件、應(yīng)變器件和壓電晶體管
(4)基于自旋的邏輯和存儲(chǔ)設(shè)備：
– 低電流密度下具有亞納秒開(kāi)關(guān)速度
– 垂直磁各向異性(PMA)結(jié)中隧道磁阻(TMR)的幅度改善量級(jí)
– 通過(guò)自旋過(guò)濾柵進(jìn)行高自旋極化
– 電荷-自旋轉(zhuǎn)換效率提高10倍，例如自旋軌道耦合、Rashba界面和拓?fù)浣^緣體材料的研究
– 磁電和磁致伸縮開(kāi)關(guān)機(jī)制提高能效的數(shù)量級(jí)
– 利用疇壁運(yùn)動(dòng)等新穎機(jī)制的自旋裝置
– 分層和嵌入式應(yīng)用中的磁存儲(chǔ)器，例如通過(guò)抗鐵磁性實(shí)現(xiàn)的超快切換，用于新型器件設(shè)計(jì)的巨型旋轉(zhuǎn)霍爾效應(yīng)等。
(5)超CMOS設(shè)備、儲(chǔ)存元件、非馮·諾依曼計(jì)算材料
用于機(jī)器學(xué)習(xí)的硬件加速的裝置，適用于人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和推斷。例如人造神經(jīng)元和突觸裝置，2-端模擬電阻裝置，憶阻裝置，基于旋轉(zhuǎn)的裝置和用于神經(jīng)形態(tài)和生物啟發(fā)信息處理的裝置，以及相關(guān)材料開(kāi)發(fā)。
? 納米功能設(shè)備，例如保真的本機(jī)乘除和加法。
? 用于新型陣列計(jì)算和存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存器元件和2-端選擇器，包括3D的采用。
(6)除電荷和自旋(例如，電化學(xué)、電生物、光子和相位)之外，設(shè)備和材料還利用其他狀態(tài)變量，以滿足著改善的性能、信息密度或能量效率的需求。
(7)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備和材料：
? 用于傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)中傳感、信息處理、存儲(chǔ)和通信的超低功耗設(shè)備設(shè)計(jì)。
? 用于大面積傳感器計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的柔性或其他非傳統(tǒng)基質(zhì)材料和設(shè)備。
? 用于能量產(chǎn)生、清除、存儲(chǔ)和管理的尺寸/重量受限的平臺(tái)的材料和設(shè)備。
? 超CMOS器件和材料的THz通信和傳感器。
(8)基于安全性的設(shè)備和電路：
? 具有獨(dú)特屬性的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)置的安全功能，例如偽裝、邏輯加密等。
? 制造具有降低能量和面積開(kāi)銷的安全原語(yǔ)的設(shè)備，例如物理不可克隆功能(PUF)，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器等。
(9)電源管理材料和設(shè)備：
? 用于提高功率性能的半導(dǎo)體材料和器件，包括給定擊穿電壓的低導(dǎo)通電阻和最佳切換品質(zhì)因數(shù)。包括用于高電壓，大功率器件的寬帶隙半導(dǎo)體(例如GaN和SiC)以及用于低壓功率轉(zhuǎn)換器的高遷移率半導(dǎo)體(例如GaAs)。
? 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的無(wú)源元件(電容，電阻和電感)的材料和器件。
? 多芯片模塊的材料和封裝技術(shù)。
(10)可實(shí)現(xiàn)高密度，細(xì)粒度、單片3D系統(tǒng)的設(shè)備，用于減少數(shù)據(jù)遷移和通信成本：
為邏輯結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)的高性能器件，適用于堆棧層集成的低溫處理;所產(chǎn)生的能量延遲產(chǎn)品應(yīng)比現(xiàn)存最有技術(shù)好1000倍。下一代邏輯器件的候選材料包括1D納米管和納米線，以及2D石墨烯，TMD材料。合適的存儲(chǔ)器件是：自旋傳輸扭矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STTRAM)，電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)和鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FeRAM)或任何能夠承受低熱量并提供高性能的新型器件。
?能量收集器，連接裝置和傳感器的集成。
?多層堆棧集成電路(IC)的熱管理。
?新型封裝，適用于封裝所有面的小尺寸可訪問(wèn)引腳。
?神經(jīng)元裝置與基本CMOS的集成。
?生物兼容封裝選項(xiàng)。
(二)互聯(lián)技術(shù)合體系架構(gòu)
互連器件在集成電路內(nèi)部和集成電路之間攜帶信息和功率，在確定半導(dǎo)體產(chǎn)品的功率需求和性能方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。片上尺寸縮放、片外帶寬、能量與性能的折衷推動(dòng)了當(dāng)前互連技術(shù)的發(fā)展。這些參數(shù)定義了路由設(shè)計(jì)的縮放、導(dǎo)體和電介質(zhì)材料以及制造方法的選擇。除了傳統(tǒng)的縮放，新的發(fā)展方向包括新材料開(kāi)發(fā)，與新興設(shè)備兼容的新型互連架構(gòu)，以及導(dǎo)致交替信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳播介質(zhì)的交替計(jì)算方法。
電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員試圖將其繼續(xù)縮減到更小的維度并增加功能，這就要求互連具有更低的延遲、更高的功效、更寬的帶寬和更高的可靠性。但是隨著互連變得越來(lái)越小，電互連的RC延遲增加，動(dòng)態(tài)功耗隨著介電空間的減小而增加，信號(hào)完整性降低，越來(lái)越大的串?dāng)_限制了更寬寬帶鏈路的應(yīng)用，更長(zhǎng)的總線將導(dǎo)致更高的故障率和更低的產(chǎn)率。這些趨勢(shì)在設(shè)計(jì)邊際、材料屬性要求和穩(wěn)健性，以及工藝集成優(yōu)化等方面構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。
除了嚴(yán)重的可擴(kuò)展性考驗(yàn)之外，互連架構(gòu)必須展望未來(lái)，以適應(yīng)新興設(shè)備技術(shù)、新材料、新型計(jì)算模式、新制造方案和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的需求。
諸如新FET、自旋電子器件和光子器件等新興器件對(duì)互連產(chǎn)生了新的限制?；ミB與新設(shè)備的集成需要考慮熱預(yù)算匹配、RC管理以及與新材料的電氣接觸等方面。對(duì)于自旋電子學(xué)和光子學(xué)，則需要考慮互連層級(jí)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換和密度。基于自旋的傳播很大程度上取決于松弛長(zhǎng)度和時(shí)間，這導(dǎo)致信號(hào)波動(dòng)和完整性的限制性規(guī)范。光子器件具有限制密度縮放的截止波長(zhǎng)長(zhǎng)度。
所有設(shè)備面臨的一個(gè)共同的挑戰(zhàn)是可變性。具有期望性能的新技術(shù)必須能夠擴(kuò)展到實(shí)際制造中，同時(shí)保持可接受的可變性水平。在尺寸更小的時(shí)候，由于隨機(jī)過(guò)程的變化。可變性成為一個(gè)更大的問(wèn)題，有些新材料，諸如2D材料和2D混合結(jié)構(gòu)，具備許多潛在性能，當(dāng)然也存在影響該材料廣泛使用的諸多挑戰(zhàn)，比如重現(xiàn)大面積沉積的方法、實(shí)現(xiàn)接觸、線電阻對(duì)現(xiàn)有材料的競(jìng)爭(zhēng)力，封裝技術(shù)、載流子密度和流動(dòng)性之間的內(nèi)在權(quán)衡。
新的計(jì)算模式包括，允許多值邏輯(例如，模擬和量子計(jì)算)和利用信號(hào)權(quán)重和收斂性(例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算)的并行計(jì)算。這些新的計(jì)算方法對(duì)互連架構(gòu)、互連材料，信令機(jī)制和制造有影響。
集成和封裝的變化可能導(dǎo)致互連技術(shù)的中斷。例如，從2D到3D單片集成電路的過(guò)渡需要層疊的晶體管，這將影響互連路由和熱預(yù)算控制。此外，多功能系統(tǒng)的異構(gòu)集成需要互連的協(xié)同設(shè)計(jì)作為有源模塊。在設(shè)備互連接口，fan-in/fan-out兼容性也需要仔細(xì)檢查。 從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，“智能互聯(lián)”，如動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的纖維，正處在研究的早期階段。
擴(kuò)展功能和應(yīng)用程序的多樣性，如傳感器、生物醫(yī)學(xué)測(cè)量、物聯(lián)網(wǎng)模塊、云服務(wù)器等，催生了互連定制技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。除了不斷發(fā)展的片上需求外，片外互連架構(gòu)也面臨著在板級(jí)或云端連接執(zhí)行特定功能模塊的新挑戰(zhàn)。要考慮的互連選項(xiàng)包括有線與無(wú)線，電子與非電子以及片上與片外。
有潛力的研究課題
能夠?qū)崿F(xiàn)10納米以下尺寸電子互連的技術(shù)，包括導(dǎo)體、電介質(zhì)及其集成方法。
? 新型金屬和復(fù)合材料替代當(dāng)前的金屬(銅)。
? 金屬通孔之外的層間新型互連(例如，光學(xué)和等離子體互連)。
? 新型自對(duì)準(zhǔn)和自組裝技術(shù)以提高集成密度。
? 自形成柵和新型二維柵材料。
? 光子開(kāi)關(guān)器件和互連，包括光源、檢測(cè)器和調(diào)制器。
? 旋轉(zhuǎn)互連，包括用于自旋傳播的新材料。
? THz有線和無(wú)線互連、視線/非視距(LOS / NLOS)傳輸、光互連、射頻(RF)光子學(xué)、 自由空間、回程傳輸以及零開(kāi)銷和可擴(kuò)展傳輸?shù)目湛趧?chuàng)新等
? 使用替代狀態(tài)變量的新設(shè)備的本地互連。
? 可編程，高fan-in/ fan-out互連解決方案。
? 超線性、寬帶寬的電氣和光纖鏈路，實(shí)現(xiàn)高調(diào)制格式。
? 探索數(shù)據(jù)中心級(jí)互連和網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新，以顯著提高可擴(kuò)展性，并減少延遲和能耗。
? 自優(yōu)化和彈性網(wǎng)絡(luò)、可重構(gòu)互連結(jié)構(gòu)以及高速、安全的數(shù)據(jù)鏈路。
? 綜合利用先進(jìn)的內(nèi)存/存儲(chǔ)設(shè)備，并利用非傳統(tǒng)和認(rèn)知計(jì)算所優(yōu)化的互連和封裝技術(shù)，補(bǔ)充CMOS。
(三)智能內(nèi)存和存儲(chǔ)
信息技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)將數(shù)據(jù)生成速度和數(shù)量推到一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，此時(shí)內(nèi)存和存儲(chǔ)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化的重點(diǎn)。能量傳輸、延遲和帶寬對(duì)于這些系統(tǒng)的性能和能效至關(guān)重要。思考并創(chuàng)建能夠回避這些信息節(jié)流的方法和工具，對(duì)未來(lái)的內(nèi)存和存儲(chǔ)具有廣泛的影響。許多現(xiàn)代計(jì)算問(wèn)題的解決方案涉及多對(duì)多關(guān)系，受益于分布式計(jì)算平臺(tái)所固有的高橫截面帶寬。例如，大規(guī)模圖形分析涉及許多臨近關(guān)系的高交叉數(shù)據(jù)集評(píng)估，最終需要系統(tǒng)最高可能的橫截面帶寬。
為了在復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行徹底的性能改進(jìn)，需要一個(gè)全面的、垂直整合的高性能“智能”存儲(chǔ)系統(tǒng)的方法，能夠整合處理操作系統(tǒng)、編程模型和內(nèi)存管理技術(shù)以及原型系統(tǒng)架構(gòu)。利用分布式計(jì)算元件和加速器在物理/電氣上接近數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置，使得系統(tǒng)新能顯著提升。一個(gè)更加優(yōu)化的硬件平臺(tái)可能包含大型結(jié)構(gòu)(具有大截面帶寬的互連內(nèi)存設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備)，集成的邏輯架構(gòu)和與傳統(tǒng)高性能計(jì)算元件島嶼結(jié)合的加速器。該平臺(tái)甚至可能包含這樣的子元件：允許計(jì)算元件訪問(wèn)共享存儲(chǔ)器的全部或部分，并將其作為高速緩存相干存儲(chǔ)器，并且還具有在內(nèi)存中傳送和排序數(shù)據(jù)，以提供多信息豐度數(shù)據(jù)流的特性。在研發(fā)新平臺(tái)的過(guò)程中，主要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)功率、性能和密度(體積和工藝)的數(shù)量級(jí)增益。
實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器被使用和訪問(wèn)的模式轉(zhuǎn)變的主要研究差距是，建立一個(gè)操作系統(tǒng)框架，允許系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)基于系統(tǒng)配置偏好，程序員偏好以及系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。在包含近內(nèi)存的馮·諾依曼和非馮·諾依曼元素的異質(zhì)平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行和優(yōu)化的并行，面臨許多挑戰(zhàn)。在這樣的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)同樣的目的(例如，緩慢的本地計(jì)算，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和快速計(jì)算，在加速器計(jì)算效率非常高但是大致計(jì)算)本身就有很多手段，而且適宜的優(yōu)化可能因系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)而有所不同。
例如，在簡(jiǎn)單的硬件上，通過(guò)操作系統(tǒng)和硬件掛鉤，執(zhí)行時(shí)間和數(shù)據(jù)移動(dòng)可以以近乎最佳的方式自動(dòng)平衡，而不在乎是否有程序員干預(yù);內(nèi)置控件可能允許系統(tǒng)管理員在特定系統(tǒng)安裝的約束條件下，權(quán)衡性能、功效、響應(yīng)等待時(shí)間等因素。調(diào)度決策可能涉及適當(dāng)?shù)膸捠褂?、功率、延遲、溫度等的本地和全局度量。
為了建立運(yùn)行同時(shí)優(yōu)化地算法，必須確立合適的系統(tǒng)性能指標(biāo)，用于測(cè)量信息處理密度，例如每千克硅、cm3或瓦特的決策速率或正確的決策速率。例如，想象一個(gè)包含大于 100K內(nèi)存dies的單機(jī)架單元機(jī)箱，dies以高維度結(jié)構(gòu)互連，每個(gè)機(jī)架都能夠本地訪問(wèn)和操作數(shù)據(jù)，每個(gè)機(jī)箱消耗高達(dá)1瓦的功率。這樣的系統(tǒng)將需要一種功率節(jié)流算法，同時(shí)考慮溫度和功率消耗(可能涉及控制系統(tǒng)的本地或全局方面)。
信息處理密度的系統(tǒng)理論界限需要被確立，以說(shuō)明潛力最大的研究領(lǐng)域位于何處。為了系統(tǒng)滿足性能和彈性的目標(biāo)，復(fù)制將成為系統(tǒng)的一部分，并將與保留、力量管理和身份驗(yàn)證策略(即哪些用戶可以在哪些數(shù)據(jù)上運(yùn)行哪些程序)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。
通過(guò)全面、垂直整合的方法，制造工藝將加速發(fā)展，該方法重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)的新興內(nèi)存技術(shù)和它們各自新型系統(tǒng)架構(gòu)和層次(包括子系統(tǒng)和高速緩存)，以及制造它們所需的先進(jìn)材料和工藝。在可能的情況下，后向兼容也是很重要的，以便應(yīng)用遷移到這個(gè)新的框架中。
潛在研究課題
(1)計(jì)算內(nèi)存系統(tǒng)：多種形式的內(nèi)存計(jì)算早已得到了證明，諸如，與內(nèi)存芯片緊密耦合或集成，內(nèi)存芯片的通用CPU，使用內(nèi)存陣列的模擬計(jì)算。需要從業(yè)者研究并了解系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡熱/功率預(yù)算、帶寬、計(jì)算和內(nèi)存或存儲(chǔ)容量的算法，以最佳地提供感興趣的度量，如運(yùn)營(yíng)成本，決策延遲和決策帶寬。
這項(xiàng)研究應(yīng)該確定哪些具體指標(biāo)是有意義的，并確定系統(tǒng)參數(shù)如何影響該指標(biāo)。鑒于存儲(chǔ)器間的計(jì)算系統(tǒng)與“計(jì)算+存儲(chǔ)器+傳感器”節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)單、低成本、低能耗)之間存在很大的相似之處(要求該節(jié)點(diǎn)具備向較大系統(tǒng)報(bào)告的基本觀察或決策能力)，可以設(shè)想，可能有令人信服的研究，而且這些研究被認(rèn)為是相同的概念。
(2)系統(tǒng)內(nèi)存和存儲(chǔ)的新架構(gòu)和編程范例：允許適當(dāng)?shù)木幊唐骺刂频淖晕覂?yōu)化(半自治)系統(tǒng)：考慮一個(gè)大型多維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)的單個(gè)設(shè)備包含數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)個(gè)內(nèi)存節(jié)點(diǎn)，能夠自主管理電源、熱、帶寬、計(jì)算和存儲(chǔ)約束。為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，需要一種編程范例，允許程序員以這樣的方式表達(dá)算法，即底層系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地優(yōu)化這些算法的執(zhí)行。
這種范例的特征可能包括程序員能夠甚至被要求指定關(guān)鍵的代碼路徑和并行化機(jī)會(huì)的方法?？梢韵胂蟮氖牵瑢⒊绦蛞苿?dòng)到數(shù)據(jù)可能比將數(shù)據(jù)移動(dòng)到程序更為常見(jiàn)。因此，程序和它們所操作的數(shù)據(jù)必須包含在可以模塊化處理的明確定義的容器中。傳感器節(jié)點(diǎn)本身的特征提取在概念上類似于內(nèi)存計(jì)算或數(shù)據(jù)過(guò)濾;因此，預(yù)計(jì)這一領(lǐng)域的研究可以大大地惠及大數(shù)據(jù)分析和智能內(nèi)存，而且或多種多種方式影響相同的工作負(fù)載。
(3)認(rèn)證、彈性和一致性：在操作系統(tǒng)中必須存在的是控制，以便只允許“被授權(quán)的”程序運(yùn)行，并且只允許它們運(yùn)行在“被授權(quán)的數(shù)據(jù)上。必須在程序員和管理員同意的情況下確保程序和數(shù)據(jù)的完整性。此外，由于系統(tǒng)的規(guī)模，使用程序復(fù)制來(lái)解決復(fù)原力和性能的挑戰(zhàn)被預(yù)計(jì)是有利的。在處理器和加速器緩存的背景下，復(fù)制的附加功能使得復(fù)制副本之間存在一致性問(wèn)題，這是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究和創(chuàng)新領(lǐng)域。算法需要被設(shè)計(jì)用以確定何時(shí)以及如何產(chǎn)生和收集副本。
(4)IO、網(wǎng)絡(luò)：再次，為了實(shí)現(xiàn)前面所提到的由大型多維網(wǎng)絡(luò)所組成的系統(tǒng)，一個(gè)非常高效的全球異步網(wǎng)絡(luò)是必須的，改一部網(wǎng)絡(luò)可以優(yōu)化圍繞固定電路和過(guò)度供應(yīng)的帶寬，同時(shí)在局部和全局熱量及功率約束下進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
(5)新技術(shù)、新材料和新工藝：預(yù)計(jì)隨著智能內(nèi)存與存儲(chǔ)現(xiàn)存問(wèn)題的解決，設(shè)備技術(shù)、材料和工藝將會(huì)有新的需求。解決方案可能來(lái)自于這些新環(huán)境下變得實(shí)用的現(xiàn)有技術(shù)和新興技術(shù)，而不是其他可能需要新創(chuàng)建的技術(shù)。
未完待續(xù)，在后面我們將會(huì)繼續(xù)報(bào)道在電源管理、傳感器和通信系統(tǒng)、分布式計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)多方面的半導(dǎo)體機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)，敬請(qǐng)期待!（時(shí)間：2017-5-17 15:48:00 來(lái)源：華強(qiáng)電子網(wǎng)）
SIA指出，通過(guò)這些研究方向的前瞻將反過(guò)來(lái)開(kāi)啟多種應(yīng)用和技術(shù)的大門，從而促進(jìn)和支持眾多經(jīng)濟(jì)部門。在推進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)繼續(xù)升級(jí)的同時(shí)，對(duì)現(xiàn)存技術(shù)以外的一系列領(lǐng)域的開(kāi)拓和關(guān)鍵性研究也至關(guān)重要。
而在過(guò)去幾十年，通過(guò)高水平的研究和開(kāi)發(fā)投入，半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新速度得到了顯著提升。2016年，全球半導(dǎo)體行業(yè)的研發(fā)投入占總收入的15.5%，總計(jì)565億美元，高于世界上任何行業(yè)。制造更快、更好、更廉價(jià)芯片，且要求它們具有較低的計(jì)算功耗和優(yōu)秀的功能，這些需求的一個(gè)關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)力是：IC上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍，這就是已經(jīng)活躍了幾十年的摩爾定律。
但這種傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體技術(shù)正在成熟，以摩爾定律為驅(qū)動(dòng)的路線圖似乎觸到了天花板，業(yè)界迫切需要一種新的超越硅基的路線圖。馮·諾依曼計(jì)算領(lǐng)域提出了更多性能要求，如低功耗、低電壓、超CMOS邏輯和存儲(chǔ)器件及相關(guān)材料。而在非馮·諾依曼計(jì)算中，新的存儲(chǔ)元件和材料將促進(jìn)半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新。
為了使半導(dǎo)體性能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提升，眾多半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)正在研究一種綜合性方法，能夠兼顧半導(dǎo)體技術(shù)的方方面面，包括新材料、新制造技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新系統(tǒng)架構(gòu)和應(yīng)用。未來(lái)，基于半導(dǎo)體的系統(tǒng)——無(wú)論是小型傳感器、高性能計(jì)算機(jī)還是其間的系統(tǒng)——都必須最大限度地提高性能，同時(shí)最大限度地減少能源使用并保證安全性和可靠性。
本報(bào)告提出了若干半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展愿景，這些研究議程說(shuō)明，未來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)將能夠在諸如人工或增強(qiáng)智能(AI)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、高性能計(jì)算(HPC)系統(tǒng)和社會(huì)所期待和依賴世界等應(yīng)用和領(lǐng)域中取得突破性進(jìn)展。
要想將新應(yīng)用推向現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)，清晰的研究視野是至關(guān)重要的。本報(bào)告的目的就是為了確定，在半導(dǎo)體行業(yè)和價(jià)值鏈中需要優(yōu)先考慮的一系列研究投資。2016年至2017年的九個(gè)月內(nèi)，不同的行業(yè)專家團(tuán)隊(duì)和領(lǐng)導(dǎo)人共聚一堂，討論并概述了影響行業(yè)進(jìn)步至關(guān)重要的若干領(lǐng)域，用以指導(dǎo)未來(lái)的研究投入。這些領(lǐng)域是：
1.先進(jìn)的設(shè)備、材料和封裝
2.互連技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)
3.智能存儲(chǔ)與內(nèi)存
4.電源管理
5.傳感器和通信系統(tǒng)
6.分布式計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)
7.認(rèn)知計(jì)算
8.基于生物學(xué)的計(jì)算和存儲(chǔ)
9.先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)和算法
10.安全和隱私
11.設(shè)計(jì)工具、方法和測(cè)試
12.下一代制造模式
想象一下在未來(lái)，分布式網(wǎng)絡(luò)傳感器、大數(shù)據(jù)中心和計(jì)算能力相結(jié)合，進(jìn)一步促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新并提高生活質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)這樣的愿景，需要一個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)研究的廣泛平臺(tái)做支撐。該平臺(tái)的指導(dǎo)目標(biāo)是，使計(jì)算模式能夠從根本上提高能源效率、性能和功能，同時(shí)確保足夠的安全性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，迫切需要對(duì)超越傳統(tǒng)的CMOS器件和電路、馮諾依曼結(jié)構(gòu)以及信息處理方法進(jìn)行研究。另外，還需要研發(fā)新材料和可擴(kuò)展工藝，產(chǎn)生新的制造模式，并將這些新技術(shù)融入到產(chǎn)品制作中。
制定本研究議程的不同專家小組經(jīng)過(guò)討論，最終確定了若干待研究領(lǐng)域，它們相互依存，并與技術(shù)“堆?！敝械亩鄠€(gè)層次相關(guān)。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的工藝需要跨學(xué)科的方法和在各個(gè)層面上工作的科學(xué)家和工程師之間的協(xié)作。
支持應(yīng)用程序的技術(shù)層次
行業(yè)專家團(tuán)隊(duì)確定了以下亟待開(kāi)拓的14個(gè)研究領(lǐng)域，以維持美國(guó)在先進(jìn)計(jì)算系統(tǒng)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位：
(一)先進(jìn)的設(shè)備、材料和封裝
想要顯著提高新型信息處理系統(tǒng)的能源效率和性能，需要具有獨(dú)特特征設(shè)備，而且很可能是基于非常規(guī)機(jī)制的設(shè)備。除了目前在縮放CMOS和常規(guī)架構(gòu)中的研究需求和挑戰(zhàn)之外，新型器件還要考慮諸如神經(jīng)形態(tài)架構(gòu)等替代架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和要求。業(yè)界可以開(kāi)發(fā)這樣的設(shè)備以進(jìn)一步改進(jìn)馮諾依曼計(jì)算(例如，具有陡峭斜率的低功率設(shè)備)或支持非諾曼·諾依曼計(jì)算的體系。
新興設(shè)備和機(jī)制通常需要不同性能的材料，這要求業(yè)界對(duì)替代材料系統(tǒng)和相關(guān)接口性質(zhì)進(jìn)行廣泛研究，例如III-V、SiGe、碳基、低維(2D)、多鐵、鐵電、磁性、相變和金屬絕緣體過(guò)渡材料。新材料系統(tǒng)的研發(fā)，需要精確的原子沉積和去除(蝕刻和清潔)方法，以便滿足大面積適用性、低缺陷、緊密幾何結(jié)構(gòu)(亞10 nm)、3D集成，以及高吞吐量等要求。
安全性的實(shí)現(xiàn)主要在諸如，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法、協(xié)議以及具有適合于安全的固有特征的材料和設(shè)備(例如，真實(shí)的隨機(jī)性或不可克隆性)等方面中實(shí)現(xiàn)，但在硬件中，實(shí)現(xiàn)魯棒安全特征的潛力也依然存在。設(shè)備和架構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化對(duì)于充分利用設(shè)備特性并提高架構(gòu)性能至關(guān)重要。
先進(jìn)的3D集成和封裝技術(shù)可實(shí)現(xiàn)垂直擴(kuò)展和功能多樣化，通過(guò)異構(gòu)整合可能提升系統(tǒng)性能和功能。 除了工藝創(chuàng)新之外，材料和設(shè)備的進(jìn)步也可能推動(dòng)封裝技術(shù)的發(fā)展，并拓寬3D集成的應(yīng)用。
從小型嵌入式傳感器到異構(gòu)“片上系統(tǒng)”，產(chǎn)品的多樣性和復(fù)雜性日益增加，對(duì)封裝技術(shù)的挑戰(zhàn)也越來(lái)越大?，F(xiàn)今的異構(gòu)系統(tǒng)集成了以前被降級(jí)為板級(jí)集成的元件，例如各種無(wú)源元件(電容器、電感器等)和有源元件(天線和通信設(shè)備，如濾波器)以及存儲(chǔ)器和邏輯結(jié)構(gòu)。今天的系統(tǒng)級(jí)集成允許每單位體積具有更多的功能。然而，它也突出了多種挑戰(zhàn)，比如封裝內(nèi)功率如何更好的傳遞到更多功能塊，熱密度管理和信號(hào)完整性維護(hù)等。這種趨勢(shì)還將導(dǎo)致裝配復(fù)雜性和成本的增加，以及相關(guān)的可靠性和測(cè)試要求。
應(yīng)用領(lǐng)域的快速增長(zhǎng)正在對(duì)封裝技術(shù)提出具體要求。在高性能計(jì)算中，I / O帶寬密度瓶頸和熱管理限制了整體封裝系統(tǒng)的性能，這個(gè)問(wèn)題重新點(diǎn)燃了業(yè)界對(duì)芯片間通信金屬導(dǎo)體替代品的濃厚興趣。先進(jìn)的汽車應(yīng)用正在推動(dòng)新需求的產(chǎn)生——能夠承受更高熱度和功率密度的新型包裝材料，以及能提高可靠性的更堅(jiān)固的材料界面。移動(dòng)消費(fèi)應(yīng)用正在加強(qiáng)嚴(yán)格的形式因素限制，這推動(dòng)了封裝技術(shù)的創(chuàng)新。移動(dòng)領(lǐng)域最新進(jìn)展包括芯片級(jí)封裝、fan-out晶圓級(jí)封裝的進(jìn)步、采用3D / 2.5D的集成技術(shù)。IoT產(chǎn)品需要低成本的封裝技術(shù)，同時(shí)也需要?jiǎng)?chuàng)新，例如，用于可穿戴設(shè)備和其他新興應(yīng)用的靈活的、可拉伸的電子器件的封裝。
潛在的研究課題
(1)低功耗、低電壓、超CMOS邏輯和存儲(chǔ)設(shè)備以及馮·諾依曼計(jì)算的相關(guān)材料：
(2)高開(kāi)關(guān)比率的陡坡設(shè)備;
– 隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管(TFET)等新型隧道晶體管，如共振隧穿晶體管;
– 具有柵極堆疊增益的晶體管，例如負(fù)電容FET
(3)基于相變、晶格畸變、界面機(jī)制和其他轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的器件：
– Mott過(guò)渡器件、CDW的器件、應(yīng)變器件和壓電晶體管
(4)基于自旋的邏輯和存儲(chǔ)設(shè)備：
– 低電流密度下具有亞納秒開(kāi)關(guān)速度
– 垂直磁各向異性(PMA)結(jié)中隧道磁阻(TMR)的幅度改善量級(jí)
– 通過(guò)自旋過(guò)濾柵進(jìn)行高自旋極化
– 電荷-自旋轉(zhuǎn)換效率提高10倍，例如自旋軌道耦合、Rashba界面和拓?fù)浣^緣體材料的研究
– 磁電和磁致伸縮開(kāi)關(guān)機(jī)制提高能效的數(shù)量級(jí)
– 利用疇壁運(yùn)動(dòng)等新穎機(jī)制的自旋裝置
– 分層和嵌入式應(yīng)用中的磁存儲(chǔ)器，例如通過(guò)抗鐵磁性實(shí)現(xiàn)的超快切換，用于新型器件設(shè)計(jì)的巨型旋轉(zhuǎn)霍爾效應(yīng)等。
(5)超CMOS設(shè)備、儲(chǔ)存元件、非馮·諾依曼計(jì)算材料
用于機(jī)器學(xué)習(xí)的硬件加速的裝置，適用于人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和推斷。例如人造神經(jīng)元和突觸裝置，2-端模擬電阻裝置，憶阻裝置，基于旋轉(zhuǎn)的裝置和用于神經(jīng)形態(tài)和生物啟發(fā)信息處理的裝置，以及相關(guān)材料開(kāi)發(fā)。
? 納米功能設(shè)備，例如保真的本機(jī)乘除和加法。
? 用于新型陣列計(jì)算和存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)存器元件和2-端選擇器，包括3D的采用。
(6)除電荷和自旋(例如，電化學(xué)、電生物、光子和相位)之外，設(shè)備和材料還利用其他狀態(tài)變量，以滿足著改善的性能、信息密度或能量效率的需求。
(7)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備和材料：
? 用于傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)中傳感、信息處理、存儲(chǔ)和通信的超低功耗設(shè)備設(shè)計(jì)。
? 用于大面積傳感器計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的柔性或其他非傳統(tǒng)基質(zhì)材料和設(shè)備。
? 用于能量產(chǎn)生、清除、存儲(chǔ)和管理的尺寸/重量受限的平臺(tái)的材料和設(shè)備。
? 超CMOS器件和材料的THz通信和傳感器。
(8)基于安全性的設(shè)備和電路：
? 具有獨(dú)特屬性的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)置的安全功能，例如偽裝、邏輯加密等。
? 制造具有降低能量和面積開(kāi)銷的安全原語(yǔ)的設(shè)備，例如物理不可克隆功能(PUF)，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器等。
(9)電源管理材料和設(shè)備：
? 用于提高功率性能的半導(dǎo)體材料和器件，包括給定擊穿電壓的低導(dǎo)通電阻和最佳切換品質(zhì)因數(shù)。包括用于高電壓，大功率器件的寬帶隙半導(dǎo)體(例如GaN和SiC)以及用于低壓功率轉(zhuǎn)換器的高遷移率半導(dǎo)體(例如GaAs)。
? 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的無(wú)源元件(電容，電阻和電感)的材料和器件。
? 多芯片模塊的材料和封裝技術(shù)。
(10)可實(shí)現(xiàn)高密度，細(xì)粒度、單片3D系統(tǒng)的設(shè)備，用于減少數(shù)據(jù)遷移和通信成本：
為邏輯結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)的高性能器件，適用于堆棧層集成的低溫處理;所產(chǎn)生的能量延遲產(chǎn)品應(yīng)比現(xiàn)存最有技術(shù)好1000倍。下一代邏輯器件的候選材料包括1D納米管和納米線，以及2D石墨烯，TMD材料。合適的存儲(chǔ)器件是：自旋傳輸扭矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STTRAM)，電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)和鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FeRAM)或任何能夠承受低熱量并提供高性能的新型器件。
?能量收集器，連接裝置和傳感器的集成。
?多層堆棧集成電路(IC)的熱管理。
?新型封裝，適用于封裝所有面的小尺寸可訪問(wèn)引腳。
?神經(jīng)元裝置與基本CMOS的集成。
?生物兼容封裝選項(xiàng)。
(二)互聯(lián)技術(shù)合體系架構(gòu)
互連器件在集成電路內(nèi)部和集成電路之間攜帶信息和功率，在確定半導(dǎo)體產(chǎn)品的功率需求和性能方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。片上尺寸縮放、片外帶寬、能量與性能的折衷推動(dòng)了當(dāng)前互連技術(shù)的發(fā)展。這些參數(shù)定義了路由設(shè)計(jì)的縮放、導(dǎo)體和電介質(zhì)材料以及制造方法的選擇。除了傳統(tǒng)的縮放，新的發(fā)展方向包括新材料開(kāi)發(fā)，與新興設(shè)備兼容的新型互連架構(gòu)，以及導(dǎo)致交替信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳播介質(zhì)的交替計(jì)算方法。
電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員試圖將其繼續(xù)縮減到更小的維度并增加功能，這就要求互連具有更低的延遲、更高的功效、更寬的帶寬和更高的可靠性。但是隨著互連變得越來(lái)越小，電互連的RC延遲增加，動(dòng)態(tài)功耗隨著介電空間的減小而增加，信號(hào)完整性降低，越來(lái)越大的串?dāng)_限制了更寬寬帶鏈路的應(yīng)用，更長(zhǎng)的總線將導(dǎo)致更高的故障率和更低的產(chǎn)率。這些趨勢(shì)在設(shè)計(jì)邊際、材料屬性要求和穩(wěn)健性，以及工藝集成優(yōu)化等方面構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。
除了嚴(yán)重的可擴(kuò)展性考驗(yàn)之外，互連架構(gòu)必須展望未來(lái)，以適應(yīng)新興設(shè)備技術(shù)、新材料、新型計(jì)算模式、新制造方案和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的需求。
諸如新FET、自旋電子器件和光子器件等新興器件對(duì)互連產(chǎn)生了新的限制?；ミB與新設(shè)備的集成需要考慮熱預(yù)算匹配、RC管理以及與新材料的電氣接觸等方面。對(duì)于自旋電子學(xué)和光子學(xué)，則需要考慮互連層級(jí)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換和密度。基于自旋的傳播很大程度上取決于松弛長(zhǎng)度和時(shí)間，這導(dǎo)致信號(hào)波動(dòng)和完整性的限制性規(guī)范。光子器件具有限制密度縮放的截止波長(zhǎng)長(zhǎng)度。
所有設(shè)備面臨的一個(gè)共同的挑戰(zhàn)是可變性。具有期望性能的新技術(shù)必須能夠擴(kuò)展到實(shí)際制造中，同時(shí)保持可接受的可變性水平。在尺寸更小的時(shí)候，由于隨機(jī)過(guò)程的變化。可變性成為一個(gè)更大的問(wèn)題，有些新材料，諸如2D材料和2D混合結(jié)構(gòu)，具備許多潛在性能，當(dāng)然也存在影響該材料廣泛使用的諸多挑戰(zhàn)，比如重現(xiàn)大面積沉積的方法、實(shí)現(xiàn)接觸、線電阻對(duì)現(xiàn)有材料的競(jìng)爭(zhēng)力，封裝技術(shù)、載流子密度和流動(dòng)性之間的內(nèi)在權(quán)衡。
新的計(jì)算模式包括，允許多值邏輯(例如，模擬和量子計(jì)算)和利用信號(hào)權(quán)重和收斂性(例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算)的并行計(jì)算。這些新的計(jì)算方法對(duì)互連架構(gòu)、互連材料，信令機(jī)制和制造有影響。
集成和封裝的變化可能導(dǎo)致互連技術(shù)的中斷。例如，從2D到3D單片集成電路的過(guò)渡需要層疊的晶體管，這將影響互連路由和熱預(yù)算控制。此外，多功能系統(tǒng)的異構(gòu)集成需要互連的協(xié)同設(shè)計(jì)作為有源模塊。在設(shè)備互連接口，fan-in/fan-out兼容性也需要仔細(xì)檢查。 從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，“智能互聯(lián)”，如動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的纖維，正處在研究的早期階段。
擴(kuò)展功能和應(yīng)用程序的多樣性，如傳感器、生物醫(yī)學(xué)測(cè)量、物聯(lián)網(wǎng)模塊、云服務(wù)器等，催生了互連定制技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。除了不斷發(fā)展的片上需求外，片外互連架構(gòu)也面臨著在板級(jí)或云端連接執(zhí)行特定功能模塊的新挑戰(zhàn)。要考慮的互連選項(xiàng)包括有線與無(wú)線，電子與非電子以及片上與片外。
有潛力的研究課題
能夠?qū)崿F(xiàn)10納米以下尺寸電子互連的技術(shù)，包括導(dǎo)體、電介質(zhì)及其集成方法。
? 新型金屬和復(fù)合材料替代當(dāng)前的金屬(銅)。
? 金屬通孔之外的層間新型互連(例如，光學(xué)和等離子體互連)。
? 新型自對(duì)準(zhǔn)和自組裝技術(shù)以提高集成密度。
? 自形成柵和新型二維柵材料。
? 光子開(kāi)關(guān)器件和互連，包括光源、檢測(cè)器和調(diào)制器。
? 旋轉(zhuǎn)互連，包括用于自旋傳播的新材料。
? THz有線和無(wú)線互連、視線/非視距(LOS / NLOS)傳輸、光互連、射頻(RF)光子學(xué)、 自由空間、回程傳輸以及零開(kāi)銷和可擴(kuò)展傳輸?shù)目湛趧?chuàng)新等
? 使用替代狀態(tài)變量的新設(shè)備的本地互連。
? 可編程，高fan-in/ fan-out互連解決方案。
? 超線性、寬帶寬的電氣和光纖鏈路，實(shí)現(xiàn)高調(diào)制格式。
? 探索數(shù)據(jù)中心級(jí)互連和網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新，以顯著提高可擴(kuò)展性，并減少延遲和能耗。
? 自優(yōu)化和彈性網(wǎng)絡(luò)、可重構(gòu)互連結(jié)構(gòu)以及高速、安全的數(shù)據(jù)鏈路。
? 綜合利用先進(jìn)的內(nèi)存/存儲(chǔ)設(shè)備，并利用非傳統(tǒng)和認(rèn)知計(jì)算所優(yōu)化的互連和封裝技術(shù)，補(bǔ)充CMOS。
(三)智能內(nèi)存和存儲(chǔ)
信息技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)將數(shù)據(jù)生成速度和數(shù)量推到一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，此時(shí)內(nèi)存和存儲(chǔ)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化的重點(diǎn)。能量傳輸、延遲和帶寬對(duì)于這些系統(tǒng)的性能和能效至關(guān)重要。思考并創(chuàng)建能夠回避這些信息節(jié)流的方法和工具，對(duì)未來(lái)的內(nèi)存和存儲(chǔ)具有廣泛的影響。許多現(xiàn)代計(jì)算問(wèn)題的解決方案涉及多對(duì)多關(guān)系，受益于分布式計(jì)算平臺(tái)所固有的高橫截面帶寬。例如，大規(guī)模圖形分析涉及許多臨近關(guān)系的高交叉數(shù)據(jù)集評(píng)估，最終需要系統(tǒng)最高可能的橫截面帶寬。
為了在復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行徹底的性能改進(jìn)，需要一個(gè)全面的、垂直整合的高性能“智能”存儲(chǔ)系統(tǒng)的方法，能夠整合處理操作系統(tǒng)、編程模型和內(nèi)存管理技術(shù)以及原型系統(tǒng)架構(gòu)。利用分布式計(jì)算元件和加速器在物理/電氣上接近數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置，使得系統(tǒng)新能顯著提升。一個(gè)更加優(yōu)化的硬件平臺(tái)可能包含大型結(jié)構(gòu)(具有大截面帶寬的互連內(nèi)存設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備)，集成的邏輯架構(gòu)和與傳統(tǒng)高性能計(jì)算元件島嶼結(jié)合的加速器。該平臺(tái)甚至可能包含這樣的子元件：允許計(jì)算元件訪問(wèn)共享存儲(chǔ)器的全部或部分，并將其作為高速緩存相干存儲(chǔ)器，并且還具有在內(nèi)存中傳送和排序數(shù)據(jù)，以提供多信息豐度數(shù)據(jù)流的特性。在研發(fā)新平臺(tái)的過(guò)程中，主要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)功率、性能和密度(體積和工藝)的數(shù)量級(jí)增益。
實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器被使用和訪問(wèn)的模式轉(zhuǎn)變的主要研究差距是，建立一個(gè)操作系統(tǒng)框架，允許系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)基于系統(tǒng)配置偏好，程序員偏好以及系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。在包含近內(nèi)存的馮·諾依曼和非馮·諾依曼元素的異質(zhì)平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行和優(yōu)化的并行，面臨許多挑戰(zhàn)。在這樣的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)同樣的目的(例如，緩慢的本地計(jì)算，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和快速計(jì)算，在加速器計(jì)算效率非常高但是大致計(jì)算)本身就有很多手段，而且適宜的優(yōu)化可能因系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)而有所不同。
例如，在簡(jiǎn)單的硬件上，通過(guò)操作系統(tǒng)和硬件掛鉤，執(zhí)行時(shí)間和數(shù)據(jù)移動(dòng)可以以近乎最佳的方式自動(dòng)平衡，而不在乎是否有程序員干預(yù);內(nèi)置控件可能允許系統(tǒng)管理員在特定系統(tǒng)安裝的約束條件下，權(quán)衡性能、功效、響應(yīng)等待時(shí)間等因素。調(diào)度決策可能涉及適當(dāng)?shù)膸捠褂?、功率、延遲、溫度等的本地和全局度量。
為了建立運(yùn)行同時(shí)優(yōu)化地算法，必須確立合適的系統(tǒng)性能指標(biāo)，用于測(cè)量信息處理密度，例如每千克硅、cm3或瓦特的決策速率或正確的決策速率。例如，想象一個(gè)包含大于 100K內(nèi)存dies的單機(jī)架單元機(jī)箱，dies以高維度結(jié)構(gòu)互連，每個(gè)機(jī)架都能夠本地訪問(wèn)和操作數(shù)據(jù)，每個(gè)機(jī)箱消耗高達(dá)1瓦的功率。這樣的系統(tǒng)將需要一種功率節(jié)流算法，同時(shí)考慮溫度和功率消耗(可能涉及控制系統(tǒng)的本地或全局方面)。
信息處理密度的系統(tǒng)理論界限需要被確立，以說(shuō)明潛力最大的研究領(lǐng)域位于何處。為了系統(tǒng)滿足性能和彈性的目標(biāo)，復(fù)制將成為系統(tǒng)的一部分，并將與保留、力量管理和身份驗(yàn)證策略(即哪些用戶可以在哪些數(shù)據(jù)上運(yùn)行哪些程序)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。
通過(guò)全面、垂直整合的方法，制造工藝將加速發(fā)展，該方法重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)的新興內(nèi)存技術(shù)和它們各自新型系統(tǒng)架構(gòu)和層次(包括子系統(tǒng)和高速緩存)，以及制造它們所需的先進(jìn)材料和工藝。在可能的情況下，后向兼容也是很重要的，以便應(yīng)用遷移到這個(gè)新的框架中。
潛在研究課題
(1)計(jì)算內(nèi)存系統(tǒng)：多種形式的內(nèi)存計(jì)算早已得到了證明，諸如，與內(nèi)存芯片緊密耦合或集成，內(nèi)存芯片的通用CPU，使用內(nèi)存陣列的模擬計(jì)算。需要從業(yè)者研究并了解系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡熱/功率預(yù)算、帶寬、計(jì)算和內(nèi)存或存儲(chǔ)容量的算法，以最佳地提供感興趣的度量，如運(yùn)營(yíng)成本，決策延遲和決策帶寬。
這項(xiàng)研究應(yīng)該確定哪些具體指標(biāo)是有意義的，并確定系統(tǒng)參數(shù)如何影響該指標(biāo)。鑒于存儲(chǔ)器間的計(jì)算系統(tǒng)與“計(jì)算+存儲(chǔ)器+傳感器”節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)單、低成本、低能耗)之間存在很大的相似之處(要求該節(jié)點(diǎn)具備向較大系統(tǒng)報(bào)告的基本觀察或決策能力)，可以設(shè)想，可能有令人信服的研究，而且這些研究被認(rèn)為是相同的概念。
(2)系統(tǒng)內(nèi)存和存儲(chǔ)的新架構(gòu)和編程范例：允許適當(dāng)?shù)木幊唐骺刂频淖晕覂?yōu)化(半自治)系統(tǒng)：考慮一個(gè)大型多維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)的單個(gè)設(shè)備包含數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)個(gè)內(nèi)存節(jié)點(diǎn)，能夠自主管理電源、熱、帶寬、計(jì)算和存儲(chǔ)約束。為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，需要一種編程范例，允許程序員以這樣的方式表達(dá)算法，即底層系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地優(yōu)化這些算法的執(zhí)行。
這種范例的特征可能包括程序員能夠甚至被要求指定關(guān)鍵的代碼路徑和并行化機(jī)會(huì)的方法?？梢韵胂蟮氖牵瑢⒊绦蛞苿?dòng)到數(shù)據(jù)可能比將數(shù)據(jù)移動(dòng)到程序更為常見(jiàn)。因此，程序和它們所操作的數(shù)據(jù)必須包含在可以模塊化處理的明確定義的容器中。傳感器節(jié)點(diǎn)本身的特征提取在概念上類似于內(nèi)存計(jì)算或數(shù)據(jù)過(guò)濾;因此，預(yù)計(jì)這一領(lǐng)域的研究可以大大地惠及大數(shù)據(jù)分析和智能內(nèi)存，而且或多種多種方式影響相同的工作負(fù)載。
(3)認(rèn)證、彈性和一致性：在操作系統(tǒng)中必須存在的是控制，以便只允許“被授權(quán)的”程序運(yùn)行，并且只允許它們運(yùn)行在“被授權(quán)的數(shù)據(jù)上。必須在程序員和管理員同意的情況下確保程序和數(shù)據(jù)的完整性。此外，由于系統(tǒng)的規(guī)模，使用程序復(fù)制來(lái)解決復(fù)原力和性能的挑戰(zhàn)被預(yù)計(jì)是有利的。在處理器和加速器緩存的背景下，復(fù)制的附加功能使得復(fù)制副本之間存在一致性問(wèn)題，這是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究和創(chuàng)新領(lǐng)域。算法需要被設(shè)計(jì)用以確定何時(shí)以及如何產(chǎn)生和收集副本。
(4)IO、網(wǎng)絡(luò)：再次，為了實(shí)現(xiàn)前面所提到的由大型多維網(wǎng)絡(luò)所組成的系統(tǒng)，一個(gè)非常高效的全球異步網(wǎng)絡(luò)是必須的，改一部網(wǎng)絡(luò)可以優(yōu)化圍繞固定電路和過(guò)度供應(yīng)的帶寬，同時(shí)在局部和全局熱量及功率約束下進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
(5)新技術(shù)、新材料和新工藝：預(yù)計(jì)隨著智能內(nèi)存與存儲(chǔ)現(xiàn)存問(wèn)題的解決，設(shè)備技術(shù)、材料和工藝將會(huì)有新的需求。解決方案可能來(lái)自于這些新環(huán)境下變得實(shí)用的現(xiàn)有技術(shù)和新興技術(shù)，而不是其他可能需要新創(chuàng)建的技術(shù)。
未完待續(xù)，在后面我們將會(huì)繼續(xù)報(bào)道在電源管理、傳感器和通信系統(tǒng)、分布式計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)多方面的半導(dǎo)體機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)，敬請(qǐng)期待!（時(shí)間：2017-5-17 15:48:00 來(lái)源：華強(qiáng)電子網(wǎng)）
