專家觀點(diǎn)：暗場矽晶象征黑暗時(shí)代即將來臨？

　　雖然傳統(tǒng)的制程微縮得以在晶片中填入更多的電晶體，卻使得晶片永遠(yuǎn)處于更“黑暗”的狀態(tài)，而新興的單晶片 3D 技術(shù)可望讓晶片得以“重見光明”。

　　“暗場矽晶”(dark silicon)指的是晶片中必須斷電以避免過熱的部份。在2014年的國際電子元件會(huì)議(IEDM)上，ARM的總工程師Greg Yeric指出，在20nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)(包括16/14nm FinFET )時(shí)，暗矽的部份預(yù)計(jì)將占整個(gè)晶片面積的1/3，而到了5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)還將增加到占80%的面積。

　　如今，制程微縮不再遵循Dennard's Law，在更薄閘電介質(zhì)時(shí)越來越難以避免漏電急劇增加，“因此，盡管幾何尺寸持續(xù)微縮，閾值電壓卻未隨之降低?！?/p>

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　　不同技術(shù)節(jié)點(diǎn)的暗矽趨勢

　　一旦考慮到晶片成本，這種黑暗的前景似乎更是雪上加霜。在最近的SEMI產(chǎn)業(yè)技術(shù)論(ISS)，博通(Broadcom)總裁兼執(zhí)行長Scott McGregor表示，呈指數(shù)上升成本將對產(chǎn)業(yè)帶來變化：

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　　每電晶體成本持續(xù)攀升

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　　設(shè)計(jì)成本急劇增加

　　這為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)描繪了一個(gè)非常黑暗的未來。為了開發(fā)使用更昂貴電晶體的設(shè)計(jì)，我們更需要指數(shù)級的投資。因此，Scott McGregor總結(jié)指出這個(gè)“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)前進(jìn)的重大變化”將是不可避免的。

　　為了尋找隧道盡頭的一線曙光，ARM技術(shù)長Mike Muller提出以下三點(diǎn)建議：

　　.推動(dòng)如絕緣矽(SOI)等新的晶片技術(shù)進(jìn)展

　　.利用高能效、高密度的記憶體來填補(bǔ)部份的“暗場”

　　.結(jié)合最佳制程技術(shù)，以 3D IC 實(shí)現(xiàn)各種不同的功能。 3D IC 將“成為我們提供高能效解決方案的關(guān)鍵部份”。

　　的確，Sony日前宣布加入FDSOI Club，未來可望“使其GNSS晶片功耗從10mW降低至1mW?！?/p>

　　在IEDM 2014，多個(gè)研究論文都提出了單晶片 3D 技術(shù)與記憶體，如 RRAM 可在邏輯元件頂端成形為后段制程(BEOL)的一部份，有效地形成單晶片 3D 電路。此外，單晶片 3D 的一般情況是，上層電晶體自然形成SOI，因而可透過結(jié)合降低閾值的 SOI 達(dá)到功效提升，同時(shí)降低平均導(dǎo)線長度，并進(jìn)一步降低導(dǎo)線功率與延遲。CEA Leti攜手ST Micro、IBM與高通(Qualcomm)等公司，發(fā)表了單晶片 3D 技術(shù) CoolCube ，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn) 3D VLSI 微縮。下圖顯示CEA Leti發(fā)表期望在未來打造的全球單晶片 3D 生態(tài)系統(tǒng)。

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　　單晶片3D生態(tài)系統(tǒng)

　　單晶片3D 技術(shù)可望帶來更廣闊的光明前景。直到最近，邁向單晶片 3D 的道路必須變更至前段制程(FEOL)。 FEOL 的制程改變一直是微縮的一部份，但它相當(dāng)昂貴，而且大多只能由技術(shù)先進(jìn)的主要業(yè)者來進(jìn)行。如今，隨著新興的精確接合機(jī)(如EVG或Nikon推出的產(chǎn)品) 等工具進(jìn)展，改變了單晶片 3D 技術(shù)的游戲規(guī)則?！?..真正的單晶片 3D IC 并不需要新的電晶體資訊配方。現(xiàn)有的任何晶圓廠就能在制程技術(shù)上因應(yīng)變化調(diào)整，為一系列的產(chǎn)品功能強(qiáng)化提供非常具有競爭力的成本，以及透過微縮為更好的產(chǎn) 品組合提供長期的發(fā)展藍(lán)圖。”

　　最終的結(jié)果是，雖然傳統(tǒng)的制程微縮看起來將使晶片永遠(yuǎn)處于更“黑暗”的狀態(tài)，但新興的單晶片 3D 技術(shù)可望讓晶片得以“重見光明”。