IMEC发布芯片微缩路线图：未来十年将进入0.2nm时代

随着数字应用和数据处理的迅速崛起，对计算能力的需求呈爆炸式增长。随着人工智能在中国时代的主要挑战，如气候变化或粮食短缺，计算需求预计从现在开始每六个月翻一番。为了可持续处理指数级增长的数据量，我们需要改进高性能半导体技术。为了实现这一目标，我们需要同时应对五个挑战。虽然世界上没有一家公司能够单独实现这一目标，但摩尔定律将整个半导体生态系统的共同创新与合作延续到1c。

一次五面墙

缩放墙：纯光刻支撑缩放缓慢。量子效应开始干扰微芯片BCP54的运行，因为微芯片和晶体管的单一结构接近原子的大小，变得越来越困难。

内存墙:系统性能面临核心和内存之间的数据路径限制。事实上，内存带宽跟不上处理器的性能。我们每秒都有更多的触发器，而不是每秒千兆字节。

功率墙:将功率引入芯片，从芯片包装中提取热量，变得越来越具有挑战性。因此，我们必须开发和改进功率传输和冷却的概念。

可持续墙体：半导体设备的制造造成环境足迹的增加，如温室气体和水，自然资源和电力消耗。

成本墙：显然，随着设计和工艺开发成本的增加，芯片制造成本可能会急剧增加。

拆墙

戈登摩尔的预测乍一看似乎不太好，他首先指出，密集型集成电路(IC)假设我们顽固地坚持Dennard缩放和传统的Dennard缩放，那么晶体管的数量每两年就会翻一番。VonNeumann这种预测特别正确，计算结构。

在其扩展路线图中，imec对于芯片技术的未来，在结构、材料、晶体管等方面都有一条替代之路。……范式变化发生了根本性的变化。

首先，光刻技术的不断进步将是进一步缩小尺寸的关键:传统的光刻技术使用光，但现在光的波长大于图案所需的精度。这是极紫外线的引入(EUV)光刻的原因。现在，它出现在越来越多的功能生产带上，用于大规模生产。EUV从5纳米时代到2纳米时代，我们需要更新版本才能变小。EUV，HighNA-EUV，还有更大的镜头。它们的直径为1米，精度为20皮米。HighNAEUV，ASML第一个正在开发的原型将于2023年推出。预计2025年或2026年将投入使用大规模生产。为降低引进制造业的风险，imec正在和阿斯麦紧密合作。

同时，我们还需要创新晶体管架构。如今，几乎所有的芯片制造商都使用FinFET晶体管来制造微芯片。但进入3nm代时，FinFET由于量子干扰，微芯片运行中断。

下一步是环栅(GAA)或由纳米片叠加而成的纳米片晶体管，可提高性能，改善短沟效果。从 2 nm 开始，这种架构将是必不可少的。三星、英特尔和台积电等主要芯片制造商已经宣布，他们将在其 3 纳米和/或 2 纳米节点中引入 GAA 晶体管。forksheet晶体管是imec的发明，甚至比nanosheet晶体管还要密集，gate-all-around概念扩展到1nm一代。forksheet该结构将屏障引入负通道和正通道之间，使通道更加接近。这一结构有望将单元尺寸缩小20%。

通过将负沟与正沟叠加，可实现进一步缩放，称为互补。FET(CFET)晶体管是GAA复杂的垂直继承者。它显著提高了密度，但特别是接触晶体管的源极和漏极是以提高工艺复杂性为代价的。

久而久之，CFET晶管采用二硫化钨等新型超薄二维单层材料，WS或钼该装置的路线图与光刻路线图的结合，将使我们进入埃格斯特伦时代。

亚洲2纳米晶体管的系统水平也面临另外两个挑战。内存带宽跟不上CPU的性能。处理器的运行速度不能超过从内存中获取数据和指令的速度。为了推倒这个“内存墙”，内存必须更接近芯片。拆除内存墙的一个有趣的方法是3D片上系统(3D SOC)集成超越了今天流行的小芯片方法。根据这种异构集成方法，系统分为三维设计和连接的独立芯片。例如，它将允许使用核心逻辑设备level-1-Cash将SRAM内存叠加起来，实现内存与逻辑的快速交互。

为了解决与系统相关的挑战，芯片更难提供足够的动力和散热。然而，一个解决方案就在眼前:配电已经从晶圆顶部穿过十多层金属层到达晶体管。Imec目前，我们正在研究晶圆背面的解决方案。我们将电源轨道沉入晶圆，并将纳米硅通孔连接到电阻较小的宽材料背面。这种方法将电力传输网络与信号网络分离，提高整体电力传输性能，减少路由拥堵，最终允许标准单元高度缩放。

最后，半导体制造是有代价的。它需要大量的能源和水，并产生危险的废物。但整个供应链都需要努力解决这个问题，生态系统方法将至关重要。去年，imec半导体技术和系统可持续启动(SSTS)该计划汇集了从亚马逊、苹果、微软等大型系统公司到供应商的半导体价值链利益相关者，包括ASM，ASML，KURITA，SCREEN，还有东京电子公司。目标是减少整个行业的碳足迹。该计划评估了新技术对环境的影响，确定了影响较大的问题，并在技术开发初期定义了更环保的半导体制造解决方案。

模式转变

从长远来看，冯诺依曼的结构需要彻底改革。诺依曼教授认为，数字计算机是一种输入、中央处理器和输出系统。然而，我们需要开发一个与特定领域和应用程序相关的架构，大规模的并行可以与人脑的工作模式相媲美。这意味着CPU将发挥更小的作用，并帮助定制具体工作负载的电路。

这种模式的变化，加上前方的障碍，标志着半导体行业有趣时代的开始。我们需要在整个半导体生态系统中共同创新和合作:OEM，IDM，无晶圆厂，fab-lite，设备和材料供应商。半导体是高性能、深度技术应用的核心，既符合摩尔定律，又能应对气候变化、可持续交通、空气污染、食品短缺等中国时代的挑战，取得了有影响力的进步。

时代芯片路线图结构内存核心

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