IEEE談半導(dǎo)體的未來(lái)

半導(dǎo)體未來(lái)將如何發(fā)展？

新冠疫情沖擊著全球供應(yīng)鏈，半導(dǎo)體給從業(yè)者著實(shí)上了一課。有一部分人在率先了解芯片短缺的原因后，發(fā)現(xiàn)可以經(jīng)過(guò)不斷嘗試在一個(gè)芯片上安裝2萬(wàn)多億個(gè)晶體管，而且還會(huì)發(fā)現(xiàn)摩爾定律的未來(lái)在很大程度上取決于把電線(xiàn)放在哪里，把晶體管做的有多小等等。

因此，重溫近一年與半導(dǎo)體相關(guān)的內(nèi)容，IEEE做出了如下幾點(diǎn)總結(jié)。

一些汽車(chē)制造商常常會(huì)發(fā)生這樣的情況：即便已經(jīng)通過(guò)增加多個(gè)供應(yīng)商來(lái)對(duì)沖風(fēng)險(xiǎn)，但這些供應(yīng)商或這些供應(yīng)商的上游企業(yè)可能都在使用同樣的一小組半導(dǎo)體晶圓廠的產(chǎn)品。

回顧過(guò)去，汽車(chē)制造商在疫情爆發(fā)時(shí)驚慌失措，紛紛取消了訂單。然后，當(dāng)人們似乎還想買(mǎi)汽車(chē)的時(shí)候，他們發(fā)現(xiàn)所有需要的顯示驅(qū)動(dòng)器、電源管理芯片和其他低利潤(rùn)的東西都已經(jīng)被卷入了“在家工作學(xué)習(xí)和生活”的消費(fèi)熱潮中。汽車(chē)制造商打算重新購(gòu)買(mǎi)芯片時(shí)，這條長(zhǎng)隊(duì)已經(jīng)快排到了一年以后，這又引起了恐慌。

芯片制造商竭盡全力滿(mǎn)足需求，并迅速展開(kāi)了一波擴(kuò)張，不過(guò)擴(kuò)張的主要產(chǎn)能在利潤(rùn)率更高的先進(jìn)制程芯片，而非那些汽車(chē)行業(yè)需要的成熟制程芯片。來(lái)自芯片制造設(shè)備行業(yè)協(xié)會(huì)SEMI的最新數(shù)據(jù)顯示，2021年半導(dǎo)體設(shè)備的銷(xiāo)售額將突破1000億美元，這是前所未有的。

而汽車(chē)制造商也已經(jīng)吸取了教訓(xùn)。2021年夏天，在紐約州馬耳他的格芯八號(hào)工廠（GlobalFoundries Fab 8）與汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)相聯(lián)系，最后格芯與福特、寶馬簽署了協(xié)議。

晶體管可以做得想有多小就有多小，但是如果不能將其相互連接起來(lái)，那就沒(méi)有意義了。因此Arm和比利時(shí)研究所Imec花了幾年時(shí)間尋找這其中的聯(lián)系。他們發(fā)現(xiàn)的最佳方案是，將向邏輯電路（而非數(shù)據(jù)）輸送電力的互連線(xiàn)埋入硅片表面，讓它們連接到芯片背面的電源配送網(wǎng)絡(luò)。這一研究趨勢(shì)突然成為新聞熱點(diǎn)，因?yàn)橛⑻貭柡孟裨磉_(dá)過(guò)相似的話(huà)，“哦，是的，我們肯定會(huì)在2025年這么做。”

什么東西有2.6萬(wàn)億個(gè)晶體管，耗電20千瓦，內(nèi)部帶寬足以播放10億部Netflix上的電影？當(dāng)然，這是史上最大芯片的第二代。去年4月，Cerebras Systems公司推出了一款使用更先進(jìn)的芯片制造技術(shù)的版本，超越了之前推出的人工智能處理器。其結(jié)果是，芯片內(nèi)存增加了一倍多，達(dá)到了40GB，處理器內(nèi)核數(shù)量從之前的40萬(wàn)個(gè)增加到85萬(wàn)個(gè)，并且多了1.4萬(wàn)億個(gè)晶體管。

盡管這一切都讓人感到不可思議，但弄清它的用處才是最重要的。Cerebras展示了一種方法，計(jì)算機(jī)可用其容納二代晶圓規(guī)模引擎Wafer ScaleEngine，以訓(xùn)練多達(dá) 120 萬(wàn)億參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。作為參考，龐大的GPT-3自然語(yǔ)言處理器1750億參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。此外，如今人們可以同時(shí)連接到192臺(tái)這樣的計(jì)算機(jī)。

當(dāng)然，Cerebras公司的計(jì)算機(jī)并不是唯一用來(lái)處理龐大的人工智能培訓(xùn)工作的計(jì)算機(jī)。SambaNova也在追求于此，顯然谷歌也在關(guān)注一些非常大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

IBM聲稱(chēng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種2納米節(jié)點(diǎn)芯片，并預(yù)計(jì)在2024年投入生產(chǎn)。考慮到這一點(diǎn)，領(lǐng)先的芯片制造商臺(tái)積電（TSMC）和三星（Samsung）正在全力開(kāi)發(fā)5nm節(jié)點(diǎn)芯片，可能于2022年對(duì)3納米節(jié)點(diǎn)芯片的開(kāi)發(fā)進(jìn)行試水。如去年提的那樣，大部分人所說(shuō)的技術(shù)過(guò)程節(jié)點(diǎn)與它所構(gòu)造的晶體管任何部分的大小都毫無(wú)關(guān)系。因此，IBM的研發(fā)進(jìn)程是否優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，將取決于密度、功耗和性能的綜合方面。

真正重要的是，IBM的工藝是對(duì)納米片晶體管作為硅材料未來(lái)的又一次認(rèn)可。各大芯片制造商正以各自的步伐從今天的FinFET設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向納米片，可見(jiàn)納米片時(shí)代的到來(lái)是不可避免的。

這條新聞并不全是關(guān)于晶體管的，處理器架構(gòu)同樣越發(fā)重要。智能手機(jī)的大腦可能基于Arm架構(gòu)，筆記本電腦和它所連接的服務(wù)器可能基于x86架構(gòu)。但一批快速發(fā)展的公司，尤其是位于亞洲的公司，正在尋求一種名為RISC-V的開(kāi)源芯片架構(gòu)。其獨(dú)到之處在于允許初創(chuàng)企業(yè)設(shè)計(jì)定制芯片，而無(wú)需為專(zhuān)有架構(gòu)支付昂貴的許可費(fèi)。

甚至像英偉達(dá)這樣的大公司也在布局RISC-V，且英特爾預(yù)測(cè)RISC-V將促進(jìn)其代工業(yè)務(wù)。在日益兩極分化的技術(shù)環(huán)境中，中國(guó)企業(yè)將RISC-V視為獨(dú)立的可能途徑，對(duì)它尤為看好。阿里巴巴還表示將為其RISC-V核心提供源代碼。

盡管某些類(lèi)型的光計(jì)算正在逐步實(shí)現(xiàn)，但俄羅斯和IBM的研究人員在去年10月份描述的這種計(jì)算機(jī)切換很可能在遙遠(yuǎn)的將來(lái)才出現(xiàn)。依靠激子-激元極化子和玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體等物質(zhì)，該設(shè)備以每秒約1萬(wàn)億次的速度切換。切換速度如此之快，以至于在設(shè)備再次切換之前，光只能傳播大約三分之一毫米。

人工智能的一個(gè)大問(wèn)題是，其數(shù)據(jù)的傳輸路徑太遠(yuǎn)。當(dāng)然，這個(gè)距離是以毫米為單位的，但現(xiàn)在這是一段很長(zhǎng)的距離了?，F(xiàn)在，工程師們想出了很多方法來(lái)縮短這一距離。

與其用硅晶體管和上面的金屬電容器來(lái)制造DRAM，不如用第二個(gè)晶體管作為電容器，同時(shí)在氧化物半導(dǎo)體的硅片上面構(gòu)建。兩個(gè)研究小組表明，這些晶體管可以比普通的DRAM保持更長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并可以在硅上分層堆疊，從而使處理器和重要數(shù)據(jù)之間的路徑縮短很多。

去年8月，英特爾公布了該公司10年來(lái)最大的處理器架構(gòu)進(jìn)展，其中包括兩種新的x86 CPU核心架構(gòu)——直接命名為性能核心（P-core）和效率核心（E-core）。這些核心被集成到Alder Lake中，它是一個(gè)“性能混合型”處理器系列，包含新的技術(shù)，使即將推出的Windows 11操作系統(tǒng)能夠更高效地運(yùn)行CPU。

英特爾高級(jí)副總裁兼總經(jīng)理拉賈·科杜里（Raja Koduri）當(dāng)時(shí)說(shuō)：“這是成為一名計(jì)算機(jī)架構(gòu)師的絕佳時(shí)機(jī)?！庇⑻貭柾瞥龅男录軜?gòu)和SoC“展示了隨著從桌面到數(shù)據(jù)中心的工作負(fù)載變得比以往任何時(shí)候都更大、更復(fù)雜、更多樣化，架構(gòu)將如何滿(mǎn)足對(duì)更高計(jì)算性能的需求?！?/span>

美國(guó)議員對(duì)中國(guó)臺(tái)灣和韓國(guó)這兩個(gè)僅有的能夠制造最先進(jìn)邏輯芯片的地方感到憂(yōu)慮，他們開(kāi)始努力推動(dòng)美國(guó)的尖端芯片制造。臺(tái)積電、三星和英特爾已經(jīng)開(kāi)始對(duì)芯片廠進(jìn)行大量投資。當(dāng)然，中國(guó)和韓國(guó)也在進(jìn)行重大國(guó)內(nèi)投資，歐洲和日本也是如此。

位于多倫多創(chuàng)新未來(lái)中心的地緣政治未來(lái)學(xué)家阿比舒爾·普拉卡什（Abishur Prakash）指出，這一切都是全球范圍內(nèi)廣泛的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)民族主義的一部分。一些人認(rèn)為這些“地緣政治的轉(zhuǎn)變是短期的，就像是新冠疫情的副產(chǎn)品，將在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)將會(huì)平靜下來(lái)，”他于5月在《IEEE Spectrum》上表示，“這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。各國(guó)現(xiàn)在的發(fā)展方向是難以成功的?！?/span>

法國(guó)初創(chuàng)公司Prophesee和主要成像儀制造商索尼（Sony）生產(chǎn)的一種相機(jī)芯片，與常規(guī)成像儀不同，該芯片不會(huì)在時(shí)鐘的每一個(gè)滴答聲中捕捉一幀又一幀的圖像。相反，它只記錄場(chǎng)景中的變化。這意味著，會(huì)有更低的功耗和更快的響應(yīng)時(shí)間。