IEEE談半導(dǎo)體的未來

半導(dǎo)體未來將如何發(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)過不斷嘗試在一個芯片上安裝2萬多億個晶體管，而且還會發(fā)現(xiàn)摩爾定律的未來在很大程度上取決于把電線放在哪里，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做出了如下幾點總結(jié)。

一些汽車制造商常常會發(fā)生這樣的情況：即便已經(jīng)通過增加多個供應(yīng)商來對沖風(fēng)險，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。

回顧過去，汽車制造商在疫情爆發(fā)時驚慌失措，紛紛取消了訂單。然后，當(dāng)人們似乎還想買汽車的時候，他們發(fā)現(xiàn)所有需要的顯示驅(qū)動器、電源管理芯片和其他低利潤的東西都已經(jīng)被卷入了“在家工作學(xué)習(xí)和生活”的消費熱潮中。汽車制造商打算重新購買芯片時，這條長隊已經(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足需求，并迅速展開了一波擴張，不過擴張的主要產(chǎn)能在利潤率更高的先進制程芯片，而非那些汽車行業(yè)需要的成熟制程芯片。來自芯片制造設(shè)備行業(yè)協(xié)會SEMI的最新數(shù)據(jù)顯示，2021年半導(dǎo)體設(shè)備的銷售額將突破1000億美元，這是前所未有的。

而汽車制造商也已經(jīng)吸取了教訓(xùn)。2021年夏天，在紐約州馬耳他的格芯八號工廠（GlobalFoundries Fab 8）與汽車電子產(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，那就沒有意義了。因此Arm和比利時研究所Imec花了幾年時間尋找這其中的聯(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)。這一研究趨勢突然成為新聞熱點，因為英特爾好像曾表達過相似的話，“哦，是的，我們肯定會在2025年這么做。”

什么東西有2.6萬億個晶體管，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，達到了40GB，處理器內(nèi)核數(shù)量從之前的40萬個增加到85萬個，并且多了1.4萬億個晶體管。

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，計算機可用其容納二代晶圓規(guī)模引擎Wafer ScaleEngine，以訓(xùn)練多達 120 萬億參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。作為參考，龐大的GPT-3自然語言處理器1750億參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。此外，如今人們可以同時連接到192臺這樣的計算機。

當(dāng)然，Cerebras公司的計算機并不是唯一用來處理龐大的人工智能培訓(xùn)工作的計算機。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聲稱已經(jīng)開發(fā)出一種2納米節(jié)點芯片，并預(yù)計在2024年投入生產(chǎn)。考慮到這一點，領(lǐng)先的芯片制造商臺積電（TSMC）和三星（Samsung）正在全力開發(fā)5nm節(jié)點芯片，可能于2022年對3納米節(jié)點芯片的開發(fā)進行試水。如去年提的那樣，大部分人所說的技術(shù)過程節(jié)點與它所構(gòu)造的晶體管任何部分的大小都毫無關(guān)系。因此，IBM的研發(fā)進程是否優(yōu)于競爭對手，將取決于密度、功耗和性能的綜合方面。

真正重要的是，IBM的工藝是對納米片晶體管作為硅材料未來的又一次認可。各大芯片制造商正以各自的步伐從今天的FinFET設(shè)計轉(zhuǎn)向納米片，可見納米片時代的到來是不可避免的。

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的開源芯片架構(gòu)。其獨到之處在于允許初創(chuàng)企業(yè)設(shè)計定制芯片，而無需為專有架構(gòu)支付昂貴的許可費。

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

盡管某些類型的光計算正在逐步實現(xiàn)，但俄羅斯和IBM的研究人員在去年10月份描述的這種計算機切換很可能在遙遠的將來才出現(xiàn)。依靠激子-激元極化子和玻色-愛因斯坦凝聚體等物質(zhì)，該設(shè)備以每秒約1萬億次的速度切換。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。

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

與其用硅晶體管和上面的金屬電容器來制造DRAM，不如用第二個晶體管作為電容器，同時在氧化物半導(dǎo)體的硅片上面構(gòu)建。兩個研究小組表明，這些晶體管可以比普通的DRAM保持更長時間的數(shù)據(jù)存儲，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年來最大的處理器架構(gòu)進展，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“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)能夠更高效地運行CPU。

英特爾高級副總裁兼總經(jīng)理拉賈·科杜里（Raja Koduri）當(dāng)時說：“這是成為一名計算機架構(gòu)師的絕佳時機?！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)中心的工作負載變得比以往任何時候都更大、更復(fù)雜、更多樣化，架構(gòu)將如何滿足對更高計算性能的需求?！?/span>

美國議員對中國臺灣和韓國這兩個僅有的能夠制造最先進邏輯芯片的地方感到憂慮，他們開始努力推動美國的尖端芯片制造。臺積電、三星和英特爾已經(jīng)開始對芯片廠進行大量投資。當(dāng)然，中國和韓國也在進行重大國內(nèi)投資，歐洲和日本也是如此。

位于多倫多創(chuàng)新未來中心的地緣政治未來學(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)濟和技術(shù)民族主義的一部分。一些人認為這些“地緣政治的轉(zhuǎn)變是短期的，就像是新冠疫情的副產(chǎn)品，將在某個時間點將會平靜下來，”他于5月在《IEEE Spectrum》上表示，“這種觀點是錯誤的。各國現(xiàn)在的發(fā)展方向是難以成功的?！?/span>

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