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半导体行业未雨绸缪
发表时间:2006-11-27     来源:计世网
关键字:制造业 半导体 
在IC(集成电路)领域,制造工艺决定了最终的设计能否实现,从本质上来讲,它是制造决定设计的产业。在这个领域里面,使用这种手段最为纯熟的乃是IBM、Intel这样的厂商。但是,IC制造的发展速度由于IC业的竞争,已经快要到材料的极限,电路之间的隔层差不多快要到原子级别,一些以前不会出现的问题逐渐显现。

    在IC(集成电路)领域,制造工艺决定了最终的设计能否实现,从本质上来讲,它是制造决定设计的产业。在这个领域里面,使用这种手段最为纯熟的乃是IBM、Intel这样的厂商。

    但是,IC制造的发展速度由于IC业的竞争,已经快要到材料的极限,电路之间的隔层差不多快要到原子级别,一些以前不会出现的问题逐渐显现。比如制作半导体需要掺杂的工艺,就需要控制具体的数量,而不能同以前一样,任由杂质进行自由组合,这将大大增加IC制造的难度;半导体的绝缘层也将因为光刻化学药品本身的特性,凹凸不平的程度将直接影响IC能否正常运行。

    硅基IC不越摩尔定律雷池

    尽管这是未来15年以后的事情,专注前沿科技研究的科学家已经等不及了。不仅是因为材料限制,在22nm以下的工艺,无法使得电路稳定运行,还会因为集成过于大量的晶体管,使得处理器的功率达到惊人的地步。

    我们可以看到,在过去的几年里,我们并没有因为生产工艺的提高带来功耗的真正大幅度降低,反而因为频率和晶体管数量的大幅度增加而有所增加,这就是目前IC前沿研究所需要急切解决的问题。同时,因为CMOS晶体管的绝缘层的距离大大变小,降低的阈值将会低于1V,那就意味着,IC受到干扰的概率大大增加,而供电电流会成几百安培的规模,的确是相当骇人的。

    但是,摩尔定律并没有因此而被打破,在它提出的将近40年的时间里,半导体行业一直小心地遵循摩尔定律,不越雷池。根据IBM研究院Thomas J.Watson研究中心科技副总裁陈自强的博士说,在可见的未来,摩尔定律仍然不会被打破,尽管IC领域的人们散失了对频率追逐的兴趣,但是多核布局还将让摩尔定律大放光彩。

    多核乃是目前遵循摩尔定律不得已的办法。现在,Intel的65nm工艺的四核处理器已然如同陈兵百万,蓄势而出,TI的65nm工艺也已经进入了量产。

    从技术上看,IC领域是不用扬鞭自奋蹄,跑得比谁都快,依然还要追求更快,把自己逼上了梁山,IC领域在材料上的瓶颈也随之而来。

    那么,解决这个问题还有什么招数?陈博士介绍说,主要有替代材料的研究、逻辑创新和系统创新三个方面。

    替代材料紧俏

    在替代材料的研究中,碳纳米管是其中的核心。因为碳纳米管的特性,跟晶体管的特性很相近,IBM已经首先使用碳纳米管实现了5个集成,运行频率达到了75MHz,这远远不是碳纳米管的实际能力,根据介绍,它的运行潜在频率高达950GHz。陈博士介绍说,目前最大的问题是这种材料的提纯很难,导致进入工程化的阶段速度大大降低,另外,这种材料的集成度一时很难提高。

    除了碳纳米管的电特性,它的光电特性也十分诱人,不像传统的LED,它可以在整个导电的长度内都能发光。意味着有可能通过这个制造激光或者实现IC内部的通信。陈博士说,能否成为目前IC的替代品,必须遵循几个原则,最重要的是集成度能不能上去。

    因而,实际上除了碳纳米管目前可用之外,还有一些其他的技术正在研究之中。比如通过控制电子自旋实现逻辑表示,从而能够实现存储密度的大幅度上升,它可以在一个很小的垂直高度上堆叠达到100层,这就意味着存储容量的百倍上升。问题是,这样的逻辑实现起来有难度,集成度很难提高到需要的程度,进入实用仍需时日,不过这种逻辑的耗电非常低,现在的研究表明大约为目前模式的1/1000000,这样超低功耗IC的研究将成为可能。

    除了目前用过的一些材料,科学家们开始在根据元素周期表来选择一些新的材料,用于IC的制造之中。

    我们现在能做什么?

    如果说IC是技术推动的还不如说是IC制造推动的,每一代的技术进步都将带来巨大的性能的提升,很显然,有些层面,目前的IC已经超越了我们的需求。我们需要服务的产业远远被IT产业抛在了后面,那么,现在需要做的,就是调转头来,从需求的角度来设计IC。

    IBM、索尼和东芝合作的Cell就是这样的产物。它的结构相当有趣,各个模块并不复杂,各个协处理基元可以根据需要进行单独的设定,比如特别定制为处理音频或者视频。像游戏这种需要大量处理图形数据的应用,激发了这种新的模式,陈博士认为,不仅寻找替代材料是当务之急,对目前系统级别的创新也是必要的。在编译器、系统价格的创新使得Cell成为应用很广的处理器系统。

    现在,Cell除了用在索尼的PS3之外,还被用在IBM的刀片服务器上,以及图形工作站也将使用这个处理器。由于处理器具备灵活的可定制特性,使得Cell将成为未来处理器设计的样板。

    多个核之后,还会对称运算吗?显然是不充分的,这将浪费大量资源,因而,当制造提供很大潜在能力的时候,新的需求就要求系统设计必须有前瞻能力。因而,那种根据应用搭配的处理器,针对不同应用的优化将成为主流元素。

    系统创新是一个系统工程,却尤其不适合像Wintel这样的松散联盟,倒是十分适合索尼PS3以及IBM、SUN等能够自己整合硬件和软件的系统,才将成为未来多核的中坚力量。

    3D芯片也是目前的应急方案。Intel以及IBM都在研究这种芯片的刻蚀技术。3D的晶体管将不是目前平面上刻蚀出来,而是雕刻出来一样,控制晶体管导通的跨越源极和基极,3D晶体管可以进行跨接,实现3D互通,从而降低芯片的功耗,但是成品率以及测试成本估计要上升。

 责任编辑:况长进