歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展之后，集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)生了很多變化。例如芯片公司從最早的IDM為主發(fā)展到現(xiàn)在的Fabless成為主流。再如憑借CPU豪占半導(dǎo)體企業(yè)營(yíng)收頭把交易的Intel被依仗存儲(chǔ)壯大的三星趕下馬。又如之前被集成電路產(chǎn)業(yè)人員奉為金科玉律的摩爾定律，因?yàn)椴牧虾图夹g(shù)的限制，逐漸失去了往日的風(fēng)采。另外還有技術(shù)的更迭、材料的革新和架構(gòu)的演變，集成電路產(chǎn)業(yè)開始呈現(xiàn)出了全新的形態(tài)。

在這個(gè)新技術(shù)和創(chuàng)意頻發(fā)的時(shí)代，集成電路產(chǎn)業(yè)將迎來新的時(shí)代。在近日于南京舉辦的“2018中國(guó)集成電路技術(shù)應(yīng)用研討會(huì)暨南京國(guó)際集成電路技術(shù)達(dá)摩論壇”上，來自產(chǎn)業(yè)研的專家就集成電路產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展，給出了他們的觀點(diǎn)。

許居衍：AI芯片的未來靠架構(gòu)創(chuàng)新

根據(jù)摩爾定律的定義，芯片的集成度每18個(gè)月會(huì)提升一倍，性能也會(huì)提升一倍，與此同時(shí)，單晶體管的成本就會(huì)下降。換句話說就是每一美元買到的芯片性能提升一倍。這個(gè)在過去幾十年基本都是通過晶體管微縮實(shí)現(xiàn)的。但在多方因素的影響下，制程推進(jìn)已經(jīng)脫離了摩爾定律的規(guī)律。業(yè)界圍繞著摩爾定律的生死，也有了很多的討論。

中國(guó)工程院院士許居衍院士認(rèn)為，摩爾定律已經(jīng)死了，這就使得類似AI這樣對(duì)芯片性能要求比較高的應(yīng)用給集成電路帶來巨大的壓力。他指出，雖然英偉達(dá)、谷歌和寒武紀(jì)等一眾廠商都投入了AI芯片市場(chǎng)，無論是FPGA或者ASIC，都憑借各自的優(yōu)勢(shì)，在AI市場(chǎng)并獲得了不錯(cuò)的表現(xiàn)，其中尤以英偉達(dá)憑借GPU在AI訓(xùn)練市場(chǎng)表現(xiàn)出色最為亮眼。但他認(rèn)為，片上系統(tǒng)的存在讓計(jì)算變得無處不在，算力的持續(xù)提升讓它到達(dá)了一個(gè)拐點(diǎn)（Volta GPU的性能與2014年的超級(jí)機(jī)差不多）。在這個(gè)環(huán)境下，芯片需要從架構(gòu)上創(chuàng)新，才能滿足性能需求。許居衍院士強(qiáng)調(diào)。

在他看來，芯片的編程技術(shù)在過去的發(fā)展中經(jīng)歷了幾波浪潮，第一波就是封裝編程，那時(shí)候的“芯片”是算法固定、資源固定；到后來英特爾制造出MPU之后，則迎來了軟件編程，這時(shí)候任何一個(gè)算法進(jìn)來，芯片都能應(yīng)付得來，這時(shí)候的特點(diǎn)是算法可變，資源固定； 之后就迎來了算法可變、資源可變的硬件編程。但他認(rèn)為，受限于硅技術(shù)瓶頸和馮諾依曼架構(gòu)的指令流導(dǎo)致算力上不去的問題，未來的芯片架構(gòu)需要?jiǎng)?chuàng)新。系統(tǒng)視野、多片與堆疊架構(gòu)、異構(gòu)架構(gòu)就是許院士看好的方向，用戶可重構(gòu)SoC則是他推崇的一個(gè)選擇。

許居衍院士表示，可重構(gòu)的SoC性能能夠超過FPGA，且非常靈活、安全、低成本，這就使他能夠從資源配置上滿足更多的需求，是我們應(yīng)該關(guān)注的發(fā)展方向。而國(guó)內(nèi)的也有了清華Thinker和南大RASP可重構(gòu)芯片，這是值得稱贊的。但許院士也強(qiáng)調(diào)，可重構(gòu)計(jì)算面臨多樣化的挑戰(zhàn)，需要我們正確對(duì)待。

張衛(wèi)：半浮柵器件是存儲(chǔ)器的新選擇

最近兩年，因?yàn)榀偪駶q價(jià)，大家對(duì)Flash和DRAM為代表的存儲(chǔ)器市場(chǎng)有了更多的關(guān)注。據(jù)復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院執(zhí)行院長(zhǎng)張衛(wèi)介紹，2017年，全球存儲(chǔ)器的銷量為1240億美元，同比增長(zhǎng)了61.5%。這主要是由DRAM和NAND Flash貢獻(xiàn)的。

從數(shù)據(jù)上看，存儲(chǔ)器的使用量正在攀升。從應(yīng)用上看，存儲(chǔ)也是所有產(chǎn)品必須的。但是存儲(chǔ)卻面臨這各樣的瓶頸。以DRAM為例，這個(gè)最大的單一集成電路產(chǎn)品（去年創(chuàng)造了700多億美元的營(yíng)收）因?yàn)槭艿搅?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/電容/" target="_blank">電容瓶頸等限制，存儲(chǔ)電容越來越小，導(dǎo)致數(shù)據(jù)保留時(shí)間縮短，功耗增加。另外，由于陣列晶體管驅(qū)動(dòng)電流太小，漏電流也增大了。各種各樣的原因綜合，使得原本和邏輯器件一樣遵循摩爾定律微縮的DRAM一直停留在17nm。

看到這種趨勢(shì)，業(yè)界很多人已經(jīng)PCM、MRAM和RRAM這些新型存儲(chǔ)器探索。但因?yàn)楦髯缘膯栴}和限制，都沒取得太大的突破。

譬如頗受大家歡迎的RRAM，因?yàn)閷?dǎo)電filament行程的隨機(jī)性的存在，直接就制約了RRAM的產(chǎn)業(yè)化。為了推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，張衛(wèi)團(tuán)隊(duì)推出了一種稱為半浮柵器件的產(chǎn)品。

我們平時(shí)所用的是“非揮發(fā)性存儲(chǔ)器”，意思就是芯片在沒有供電的情況下，信息仍能被保存而不會(huì)丟失。這種器件在寫入和擦除時(shí)都需要有電流通過一層接近5納米厚的氧化硅介質(zhì)，因此需要較高的操作電壓（接近20伏）和較長(zhǎng)的時(shí)間（微秒級(jí)）。張衛(wèi)團(tuán)隊(duì)則巧妙地通過一個(gè)隧穿二極管把浮極和柵極連起來，用隧穿二極管來控制對(duì)浮柵的充放電，從而構(gòu)成了一個(gè)存儲(chǔ)器，這就是他們所說的半浮柵器件。這種器件具有速度快、面積小、低功耗，且與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，不需要集成新材料等優(yōu)勢(shì)，在海內(nèi)外獲得了高度認(rèn)可。

張衛(wèi)表示，目前他們已經(jīng)基于上海華為微電子公司的40nm工藝平臺(tái)，完成了8M基于半浮柵器件的高速低功耗緩存芯片的設(shè)計(jì)與制造，測(cè)試結(jié)果也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在他看來，這個(gè)產(chǎn)品將會(huì)是我國(guó)存儲(chǔ)發(fā)展的一個(gè)新機(jī)遇。

宋繼強(qiáng)：摩爾定律將繼續(xù)有效

無論其他人怎么看摩爾定律，英特爾方面始終對(duì)其充滿著信心。在日前的大會(huì)上，英特爾中國(guó)研究院院長(zhǎng)宋繼強(qiáng)繼續(xù)強(qiáng)調(diào)：“于摩爾定律本身，我們可以把他看成是經(jīng)濟(jì)上的一個(gè)觀察。它的經(jīng)濟(jì)效益還是繼續(xù)存在，雖然這個(gè)速度不會(huì)像以前那么快。但我們認(rèn)為，這個(gè)經(jīng)濟(jì)效益將持續(xù)存在”。堅(jiān)信CMOS還能縮放，是他對(duì)摩爾定律還有信心的一個(gè)重要原因。

宋繼強(qiáng)表示，現(xiàn)在的CMOS微縮還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有到物理極限這個(gè)程度，依然可以繼續(xù)往下走。但和以前不一樣，現(xiàn)在的微縮碰到了如何實(shí)現(xiàn)大批量、高精度芯片生產(chǎn)的問題。而新的3D工藝技術(shù)，新的材料將會(huì)成為繼續(xù)微縮的動(dòng)力。如三五族晶體管、納米線晶體管和鐵電體就是當(dāng)中的選擇。

不過他也指出，雖然這些新的材料有很好的特性，但目前來說還沒有一個(gè)能夠作為CMOS的替代品。但為了獲得性能提升，英特爾通過異構(gòu)的方式把CMOS等器件整合在一起，同時(shí)再加上一些新算法功能的處理、數(shù)據(jù)處理模塊、清晰的處理架構(gòu)去獲得性能上的提升。獲得經(jīng)濟(jì)效益的提升，延續(xù)摩爾定律。

MIX & MATCH （混搭）則是英特爾延續(xù)摩爾定律壽命的另一個(gè)招數(shù)。

按照宋繼強(qiáng)的說法，所謂混搭是把不同制程下的芯片放到一起，將它封裝集成起來。這種技術(shù)可以根據(jù)需要封裝不同的CPU核心、IO、GPU核心甚至FPGA、AI芯片，幫助英特爾靈活應(yīng)對(duì)不同業(yè)務(wù)的需求，進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)效益。為了達(dá)成這樣的設(shè)計(jì)，需要有很好的連接技術(shù)和功耗管理技術(shù)，而英特爾在上面已經(jīng)有了很深的積累。

進(jìn)一步增大硅片的面積，則是又一個(gè)新方向。

宋繼強(qiáng)告訴半導(dǎo)體行業(yè)觀察記者，把硅片從300毫米增加到450毫米雖然增加了單一硅晶圓的成本，但因?yàn)槲覀儷@得了更多芯片數(shù)量，綜合計(jì)算下來，單個(gè)芯片的價(jià)格還是繼續(xù)在下降，這也是符合摩爾定律的規(guī)定的。

來到新工藝方面，宋繼強(qiáng)表示，由于在10納米上采用了幾種新的方法，目前已可以看到比較好的良率。在他看來，英特爾明年在10nm上將有更有高的良率，屆時(shí)將有大批量的10納米的產(chǎn)品面世。至于7納米的話，基于10納米的技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)，他非常看好英特爾未來的工藝走勢(shì)。