隨著芯片制程逐步推進(jìn)到5nm及以下，下一步技術(shù)節(jié)點(diǎn)將會(huì)朝著哪個(gè)方向如何發(fā)展，也成為了業(yè)內(nèi)人士十分關(guān)注的話題。

過去人們談及芯片制程發(fā)展，往往都繞不開英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾早年提出的“摩爾定律”——芯片上的晶體管數(shù)量約每隔18-24個(gè)月增加一倍，性能也將提升一倍。

但如今芯片制程節(jié)點(diǎn)已步入緩慢發(fā)展的階段，同時(shí)有業(yè)內(nèi)人士希望在十年內(nèi)將節(jié)點(diǎn)從5nm推進(jìn)至1nm，到時(shí)摩爾定律是否會(huì)徹底失效？衡量半導(dǎo)體進(jìn)步的方法又有哪些？如何從度量的角度重新看待半導(dǎo)體發(fā)展？

針對這一話題，IEEE（美國電氣電子工程師學(xué)會(huì)）在旗艦刊物《IEEE Spectrum》中特別發(fā)表了一篇文章，認(rèn)為在摩爾定律逐漸失效的當(dāng)下，現(xiàn)階段以芯片制程來命名的方法已不夠準(zhǔn)確，需要提出一種新的芯片命名方法來標(biāo)志半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。

其中，GMT度量法和LMC度量法則是目前學(xué)術(shù)界內(nèi)較為主流的兩大新命名法。以下為編譯原文：

一、傳統(tǒng)芯片命名法標(biāo)準(zhǔn)：柵極長度和金屬半節(jié)距

當(dāng)前行業(yè)對半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的命名方法與芯片實(shí)際的物理特征之間存在脫節(jié)，并且這一命名錯(cuò)誤的現(xiàn)象已持續(xù)了大約20年。例如，命名“7nm”的晶體管實(shí)際上它的關(guān)鍵特征要比物理“7nm”大得多。

也就是說，即便行業(yè)不再需要對CMOS晶體管的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮。同時(shí)，以節(jié)點(diǎn)為中心的半導(dǎo)體發(fā)展觀點(diǎn)不能再像以前一樣為行業(yè)指明前進(jìn)的方向。

▲在20世紀(jì)90年代中期之前，邏輯技術(shù)節(jié)點(diǎn)等同其制造的CMOS晶體管的柵極長度。

有一種用來衡量晶體管集成密度的度量標(biāo)準(zhǔn)主要是尺寸，也稱為金屬半節(jié)距（metal half-pitch）和柵極長度（gate length）。

其中，金屬半節(jié)距是芯片從上一個(gè)金屬互連起點(diǎn)到下一個(gè)金屬互連起點(diǎn)的一半距離。

在二維晶體管設(shè)計(jì)中，柵極長度主要是測量晶體管源極和漏極之間的空間，該空間里有著能控制源極和漏極之間電子流動(dòng)的柵極堆棧。由于柵極的長短影響著開關(guān)器件的速度，因此柵極長度是決定晶體管性能的最重要尺寸單位。

在柵極長度和金屬半節(jié)距大致相等的時(shí)代，它們代表了芯片制造技術(shù)的標(biāo)志性特征。每一代芯片的柵極長度和金屬半節(jié)距通常都會(huì)縮小30%，使得晶體管密度增加一倍，面積減半。

直到20世紀(jì)90年代中期，柵極長度和金屬半節(jié)距的數(shù)據(jù)發(fā)展開始不一致。為了繼續(xù)推動(dòng)芯片速度和效率的發(fā)展，芯片制造商積極縮小了柵極長度。例如，使用所謂的130nm節(jié)點(diǎn)制造的晶體管，實(shí)際上有70nm的柵極。

這一方式導(dǎo)致的結(jié)果是，摩爾定律密度不斷加倍延續(xù)，但柵極長度會(huì)不成比例地縮小。在大多數(shù)情況下，行業(yè)仍然遵循舊的節(jié)點(diǎn)命名習(xí)慣。

基于此，行業(yè)應(yīng)該尋找一個(gè)更好的替代方式來標(biāo)記半導(dǎo)體行業(yè)的里程碑發(fā)展。

二、GMT命名法：創(chuàng)建邏輯的“最小公分母”

21世紀(jì)初，工程師們找到了讓芯片不斷改進(jìn)的方法。例如，部分晶體管通過應(yīng)變硅技術(shù)，可使電荷載流子能在較低的電壓下更快地遷移，從而提高CMOS器件的速度和功率效率，且不會(huì)使柵極長度變得更短。

由于電流泄漏問題，研究人員需要對CMOS晶體管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。2011年，英特爾在開發(fā)22nm工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)，改用了FinFET工藝技術(shù)，使芯片柵極長度為26nm、半節(jié)距為40nm、鰭片為8nm。

IEEE終身研究員和英特爾資深人士Paolo Gargini談到，現(xiàn)在行業(yè)中普遍使用的節(jié)點(diǎn)命名方法在未來將毫無意義，因?yàn)樗c芯片上實(shí)際相關(guān)的任何尺寸都沒有關(guān)系。因此，芯片行業(yè)需要尋找一個(gè)新的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

一個(gè)解決方案是簡單地根據(jù)晶體管重要實(shí)際特性的大小，重新調(diào)整命名法。但這并不意味著回到用柵極的長度來命名，而是使用兩種方法來表示制造邏輯晶體管所需面積的實(shí)際限制。

其中，一種叫做接觸柵間距，指一個(gè)晶體管柵極到另一個(gè)晶體管柵極之間的最小距離；另一個(gè)重要的度量是金屬間距，主要測量兩個(gè)水平互連之間的最小距離。

Arm首席研究工程師Brian Cline解釋，這兩個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)是在新制程節(jié)點(diǎn)中創(chuàng)建邏輯的“最小公分母”，兩個(gè)值的乘積估計(jì)了晶體管的最小可能面積。

今年四月，IEEE國際設(shè)備和系統(tǒng)路線圖（IRDS）主席Gargini提出，建議芯片行業(yè)采用接觸式柵極節(jié)距（G）、金屬節(jié)距（M）、層數(shù)（T）這三項(xiàng)指標(biāo)來“回歸現(xiàn)實(shí)”。“要評估晶體管密度，你只需要知道這三個(gè)參數(shù)?！盙argini說。

IRDS的路線圖顯示，行業(yè)即將推出的5nm芯片的接觸柵距為48nm，金屬間距為36nm，并具有單層結(jié)構(gòu)，即公制G48M36T1。

▲GMT方法。光刻技術(shù)的局限性：極紫外光刻（EUV）是當(dāng)前行業(yè)最先進(jìn)的光刻技術(shù)，其依賴波長為135mm的光。這意味著芯片尺寸將很快停止縮小，芯片制造商將不得不轉(zhuǎn)向單片3D集成，增加晶體管層次，以保持硅CMOS密度的增加。GMT方法通過說明柵極節(jié)距和金屬節(jié)距的大小，以及層數(shù)來對此進(jìn)行標(biāo)注。

與節(jié)點(diǎn)命名法一樣，GMT度量標(biāo)準(zhǔn)的柵極間距和金屬間距值將在未來十年內(nèi)繼續(xù)縮小。但它們的發(fā)展速度會(huì)越來越慢，按照目前進(jìn)展，大約需要10年后才可達(dá)到終點(diǎn)。屆時(shí)，金屬間距將接近極紫外光刻（EUV）能解決的極限。

“大約在2029年，我們的光刻技術(shù)就會(huì)到達(dá)極限?！盙argini認(rèn)為，在這之后，芯片技術(shù)前進(jìn)的方向就是堆疊，這是增加晶體管密度的唯一方法。

與此同時(shí)，層數(shù)（T）將變得非常重要。目前先進(jìn)的硅CMOS是單層晶體管，由十幾個(gè)金屬互連層連接到電路中。如果能構(gòu)建兩層晶體管，器件的密度將提高一倍。

十多年來，工業(yè)研究人員一直在探索生產(chǎn)“單片3D集成電路”的方法，這種芯片是將晶體管層層疊起。但這并非易事，因?yàn)楣杓庸さ臏囟韧ǔ：芨?，以至于建造一層時(shí)會(huì)對另一層造成損壞。

目前，比利時(shí)納米技術(shù)研究公司Imec、法國的CEA-Leti、英特爾等公司和研究機(jī)構(gòu)正在開發(fā)一種技術(shù)，可以在CMOS邏輯中構(gòu)建兩種類型的晶體管技術(shù)（NMOS和PMOS）。

還有一種非硅技術(shù)也能更快地推動(dòng)單片3D集成的發(fā)展。例如，麻省理工學(xué)院教授Max Shulaker和其同事參與了“依賴于碳納米管晶體管層的3D芯片”的開發(fā)。

此外，還有一部分群體則致力于研究在硅上方的金屬互連層內(nèi)構(gòu)建邏輯或存儲(chǔ)設(shè)備，包括用原子稀薄的半導(dǎo)體（如二硫化鎢）制成的微機(jī)械繼電器和晶體管。

三、LMC度量法：以邏輯、存儲(chǔ)、連接密度為標(biāo)準(zhǔn)的度量方法

大約在一年前，一群著名的學(xué)者聚集在美國加州大學(xué)伯克利分校（University of California，Berkeley）組成一個(gè)非正式小組，并提出了自己的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

該小組由半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的大牛組成，包括胡正明、劉子在（Tsu-Jae King Liu）和Jeffrey Bokor。其中，Jeffrey Bokor是加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程系主任，胡正明是臺積電前CTO，劉子在是工程學(xué)院院長和英特爾董事會(huì)成員。

專家們正尋求一種能避免節(jié)點(diǎn)終結(jié)的度量標(biāo)準(zhǔn)。在他們看來，這個(gè)度量最重要的是不會(huì)像現(xiàn)在的制程命名法一樣，發(fā)展到1nm以下越趨近于0就越難命名，這意味著該數(shù)字應(yīng)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步而加大，而不是減小。同時(shí)，它還必須是簡單和準(zhǔn)確的，與改進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的主要目的相關(guān)。

因此，他們不僅需要找出像GMT度量標(biāo)準(zhǔn)那樣，描述用于制造處理器的技術(shù)，還要考慮影響整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的其他關(guān)鍵方面。

一臺計(jì)算機(jī)最基本的功能就是邏輯、內(nèi)存以及它們之間的連接。因此，斯坦福大學(xué)著名教授、臺積電研發(fā)副總裁黃漢森（Philip Wong）與其同事選擇了這些成分的密度作為參數(shù)，分別稱為DL、DM和DC，并將這一命名方法稱為LMC度量。

其中，DL指邏輯晶體管的密度，單位是每平方毫米的設(shè)備數(shù)；DM指系統(tǒng)主存儲(chǔ)器的密度，單位為每平方毫米內(nèi)存中系統(tǒng)主內(nèi)存的密度；DC指邏輯與主存儲(chǔ)器之間的連接密度，單位是每平方毫米的互連數(shù)。

LMC度量法的發(fā)起者表示，在當(dāng)今以數(shù)據(jù)為中心的計(jì)算時(shí)代，DL、DM和DC的改進(jìn)，為計(jì)算系統(tǒng)的整體速度和能源效率做出了主要貢獻(xiàn)。他們繪制了歷史數(shù)據(jù)，顯示了邏輯、內(nèi)存和連接增長之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)DL、DM和DC的平衡增長已持續(xù)了數(shù)十年。

▲LMC方法，通過表述邏輯密度（DL）、主存儲(chǔ)器密度（DM）以及連接它們的互連密度（DC）來獲取技術(shù)的價(jià)值。

研究人員認(rèn)為，這種平衡隱含在計(jì)算機(jī)架構(gòu)中，并適用于各種復(fù)雜程度的計(jì)算系統(tǒng)，包括移動(dòng)設(shè)備、臺式PC甚至世界上最快的超級計(jì)算機(jī)。黃漢森談到，這種均衡的增長表明，未來將需要類似的改進(jìn)。

以下則是DL、DM和DC三項(xiàng)數(shù)據(jù)的具體測量方法：

1、DL測量

DL可能是大家最為熟悉的一個(gè)數(shù)值，因?yàn)樽缘谝慌呻娐穯柺酪詠恚藗兙鸵恢痹谟?jì)算芯片上的晶體管數(shù)量。據(jù)了解，迄今為止DL值最大的是一個(gè)135兆位的SRAM陣列，其使用臺積電5nm工藝制造，相當(dāng)于每平方毫米封裝2.86億個(gè)晶體管。若在LMC命名法中，它的名字應(yīng)為286M。

但邏輯塊比SRAM更復(fù)雜、更不統(tǒng)一、密度更低，因此僅憑SRAM來判斷這項(xiàng)技術(shù)可能不公平。

2017年，彼時(shí)的英特爾高級研究員Mark Bohr提出了一個(gè)使用某些普通邏輯單元加權(quán)密度的公式。該公式考察了簡單且普遍存在的雙輸入晶體管與非門，以及一種常見但更復(fù)雜的電路（稱為掃描觸發(fā)器）的單位面積晶體管數(shù)。

據(jù)了解，該方法根據(jù)小柵極和大柵極的比例對每個(gè)元素加權(quán)，以計(jì)算每平方毫米單個(gè)晶體管的結(jié)果。

AMD高級研究員Kevin Gillespie談到，AMD內(nèi)部正在使用類似的測量方法?！叭绻粋€(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)不考慮設(shè)備的連接方式，這是不準(zhǔn)確的。”他說。

另一方面，Arm則放棄了單一指標(biāo)測量的嘗試，而是希望從完整的處理器設(shè)計(jì)中提取電路功能塊的密度?！拔艺J(rèn)為對硬件應(yīng)用來說，沒有一個(gè)適合所有硬件的邏輯密度度量標(biāo)準(zhǔn)?！盇rm的相關(guān)研究人員提到。

在他看來，不同類型的芯片和系統(tǒng)的差異太大，CPU、GPU、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器和數(shù)字信號處理器等處理器均具有不同的邏輯和SRAM比率。

因此在最后，LMC度量法的發(fā)起者選擇不指定特定的DL測量方法，而將其留給業(yè)界討論。

2、DM測量

測量DM要更簡單一些。目前，主存儲(chǔ)器通常指DRAM，因?yàn)樗鼉r(jià)格便宜、耐用性高，且讀寫速度相對較快。

DRAM單元由單個(gè)晶體管組成，且它的晶體管控制著電容器的訪問。電容器主要內(nèi)置于硅上方的互連層中，因此密度不僅受晶體管尺寸的影響，還受互連結(jié)構(gòu)幾何形狀的影響。

LMC小組在已發(fā)表文獻(xiàn)中提到，現(xiàn)階段他們發(fā)現(xiàn)最高的DM值來自三星。2018年，三星詳細(xì)介紹了其DRAM技術(shù)，并將密度提高到每平方毫米2億個(gè)單元。

但值得注意的是，DRAM不一定能始終保持主存儲(chǔ)器的地位。目前，其他的存儲(chǔ)技術(shù)，如磁阻RAM、鐵電RAM、電阻RAM和相變RAM等替代存儲(chǔ)技術(shù)已投入商業(yè)生產(chǎn)，其中一部分作為嵌入式處理器本身的存儲(chǔ)器，另一部分則作為獨(dú)立芯片。

3、DC測量

在當(dāng)下的計(jì)算系統(tǒng)中，如何在主存儲(chǔ)器和邏輯之間提供足夠的連接，已成為一個(gè)主要瓶頸。DC所衡量的就是處理器和內(nèi)存之間的互連數(shù)，這主要通過封裝級技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而非芯片制造技術(shù)。

與邏輯密度和存儲(chǔ)密度相比，DC在過去數(shù)十年里的發(fā)展并不穩(wěn)定。相反，隨著新封裝技術(shù)的引入和改進(jìn)，它出現(xiàn)了離散跳躍，單裸片芯片系統(tǒng)（SoC）開始給2.5D或3D封裝的小芯片（Chiplet）集成方法讓路。

其中，使用臺積電的3D芯片堆疊技術(shù)，能使SoC每平方毫米擁有1.2萬條互連線。

但DC不一定需要將邏輯連接到單獨(dú)的存儲(chǔ)芯片。對某些系統(tǒng)來說，主存儲(chǔ)器是完全嵌入式的。例如，Cerebras Systems的大芯片完全依賴嵌入在一塊巨大硅片上的SRAM。

四、行業(yè)中各大芯片廠商的看法

英特爾CTO Michael Mayberry認(rèn)為，用一個(gè)數(shù)字來描述半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)的先進(jìn)性時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返。原則上，他更傾向于使用一個(gè)能全面測量的系統(tǒng)級度量法。

他希望LMC能拓展更多詳細(xì)的測量方法，包括制定要測量的數(shù)據(jù)和測量方式。例如DM值，它可能需要與其處理器所在同一芯片封裝內(nèi)的存儲(chǔ)器相關(guān)。

但目前看來，像LMC一樣基于密度的度量法，以及像GMT那樣基于光刻技術(shù)的度量法，都離芯片代工廠和存儲(chǔ)芯片制造商客戶的需求相去甚遠(yuǎn)。

AMD的Gillespie談到，每一個(gè)芯片設(shè)計(jì)都圍繞著面積密度、性能、功率和成本四個(gè)軸進(jìn)行權(quán)衡，但沒有一個(gè)單獨(dú)的數(shù)字可以反映出節(jié)點(diǎn)的性能好壞。

“內(nèi)存和存儲(chǔ)最重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)仍然是單位成本?！比虻谌驞RAM制造商美光科技（Micron Technologies）高級研究員兼副總裁Gurtej Singh Sandhu談到，除了內(nèi)存和存儲(chǔ)之外，基于特定市場應(yīng)用的各種性能指標(biāo)也需密切考慮。

除此之外，還有一派認(rèn)為目前芯片行業(yè)還不需要新的度量標(biāo)準(zhǔn)。

“這些方法只有在以晶體管縮放為主導(dǎo)的應(yīng)用中才有用。”格羅方德（GlobalFoundries）負(fù)責(zé)工程和質(zhì)量的高級副總裁Gregg Bartlett認(rèn)為，目前只有少數(shù)幾家公司在先進(jìn)制程領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)，他們的客戶和應(yīng)用數(shù)量也有限，因此新的測量方法與絕大多數(shù)半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)聯(lián)度不大。

據(jù)了解，格羅方德在2018年時(shí)宣布停止進(jìn)軍7nm領(lǐng)域?，F(xiàn)階段，全球只有英特爾、三星和臺積電三家公司在追求最后幾個(gè)CMOS邏輯節(jié)點(diǎn)，但這三家公司卻占據(jù)了全球半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的絕大部分市場。

在Bartlett看來，CMOS邏輯與專用技術(shù)（如嵌入式非易失性存儲(chǔ)器、毫米波無線電）的集成對行業(yè)的未來至關(guān)重要，而不是縮放晶體管大小。但對許多半導(dǎo)體消費(fèi)者來說，持續(xù)縮小晶體管尺寸非常重要。

盡管出于不同的原因，LMC度量法和GMT度量法的發(fā)起者都有一種緊迫感。

對于黃漢森和LMC的支持者來說，在晶體管縮放重要性不高的時(shí)代，半導(dǎo)體行業(yè)需要明確自身長期發(fā)展的方向，才能招募到技術(shù)人才來共同推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。

對于Gargini和GMT的支持者來說，GMT度量法的提出是為了保持行業(yè)的正常發(fā)展。在Gargini看來，沒有度量標(biāo)準(zhǔn)的同步發(fā)展，行業(yè)的效率就會(huì)降低?！爸钡焦鐲MOS完全停止收縮，我們還有10年的時(shí)間?！彼f。