后摩尔时代芯片发展的四堵墙是噩梦还是机遇

0 芯光社ChipHub 2023-05-29 15:29:44

摘要：

1958年9月12日，杰克·基尔比(Jack S.Kilby，1923-2005）发明了人类历史上第一块集成电路，吹响了人类进入“硅时代”的角。1965年5月，仙童半导体（Fairchild Semiconductor）和英特尔（Intel）的联合创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore, 1929-2023）发表了一篇题为“Cramming more components onto integrated circuits”的论文。

一、何为摩尔定律

在这篇论文中，Moore预测：芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番。这就是著名的摩尔定律。

摩尔定律被提出。文献来源： Electronics, pp. 114–117, April 19, 1965.

简单来说，摩尔定律指的是不变的价格下，芯片上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这一定律并不是一个真实的物理定律，却一直被芯片工业界奉为金科玉律。

辉煌 60多年的摩尔定律。图源：Cadence

二、摩尔定律对芯片行业的影响

直到今天，摩尔定律仍然适用，深刻改变了人类的生产生活方式。尤其是，晶体管的持续缩微，为GPU等人工智能硬件提供强大的数据处理能力，实现了更具变革性的人工智能应用。

当前，人们通常用PPAC四个维度来衡量芯片技术的进步，即功率（Power）、性能（Performance）、面积（Area）和成本（Cost）。简单来说，芯片工程师一直在追求更低的功耗、更好的性能，更小的面积和更低的成本。比如，2022年6月30日，韩国三星电子公司正式官宣，开始大规模生产3nm芯片，采用最先进的EUV光刻技术和 GAA（Gate-all-around，纳米环栅）晶体管技术。这也使得三星电子公司抢先中国台积电公司成为了全球首家量产3nm的芯片代工企业。

韩国三星官宣3nm芯片量产。图源：三星电子

根据三星官方公布的声明显示，基于其第一代的3nm GAA工艺的芯片与传统的5nm工艺芯片相比，功耗降低了45%，性能提高了23%，面积可减少16%。

面对中国台积电、韩国三星咄咄逼人的3nm芯片量产技术的进步。英特尔公司一改其从前的芯片节点命名规则。计划于 2025 年推出名为 Clearwater Forest 的第二代 E-Core 至强处理器，并将采用英特尔 1.8nm 工艺节点，号称可以实现晶体管和芯片性能的又一次重大飞跃。

英特尔公司的芯片技术路线图。图源: 英特尔公司

实际上，所谓的3nm芯片、1.8nm芯片，更多的是数字命名游戏。从45nm以下工艺开始，晶体管的真实栅极长度和节点工艺的命名规则，并不是一一对应关系。比如，英特尔的10nm技术等同于台积电7nm技术。现在所说14nm，7nm其实真实栅极长度并不是14nm，7nm。

IBM研发的全球首款2nm芯片。图源：IBM公司

摩尔定律现在已经是百尺竿头，逼近极限了，这是不争的事实。一个明显的例子是随着芯片技术的进步，芯片成本在28nm节点后不再下降，而是逐步上升了。

具体来说，当芯片进入14nm节点，芯片工业界迎来了后摩尔时代，摩尔定律的继续发展面临四堵墙！存储墙、面积墙、功耗墙和功能墙。这四堵墙制约了芯片技术的摩尔定律步伐。

三、存储墙

处理器的峰值算力每两年增长3.1倍，而动态存储器的带宽每两年增长1.4倍，存储器的发展速度远落后于处理器，相差1.7倍。CPU时钟速率与片外内存和磁盘驱动器I/O速率之间的差距越来越大。比如，动态随机存储器DRAM，英文全称为Dynamic Random Access Memory，是芯片领域“最大宗单一产品”，精密工业制造的皇冠之一，被喻为连接中央处理器（CPU）的“数据高速公路”。其功能是暂存正在运行的各种程序和数据，是一种易失性存储器，即断电后数据就丢失。DRAM由于其较差的可扩展性和极高的设计成本敏感性（每比特成本），其发展相对较慢，在10nm技术节点就遭遇了天花板。

存储墙导致访存时延高，效率低，存储器的数据访问速度跟不上处理器的数据处理速度，存算性能失配。为了打破存储墙，已经提出了大量的研究工作来优化DRAM架构，提出了存内计算和近存计算两种技术途径，以便在性能、功率和面积开销之间实现更好的权衡。

存储墙：存储器速度远低于CPU速度。图源:Bing

但是，目前看来，打破存储墙，摆脱存储和运算分离的冯诺依曼架构，仍然没有很好的解决方案。

四、面积墙

EUV 掩模（又称光罩）面积为104mm×132 mm。图源：news.mynavi.jp

毫无疑问，增大芯片面积可以集成更多的晶体管数量，从而提升芯片的性能。但是，即使是目前最先进的EUV光刻机，其掩模面积为104mm×132 mm，光刻到硅片上，单个芯片的最大面积是858 mm²。这个最大面积正在逼近极限。比如，英伟达公司的A100 GPU芯片，单个芯片面积已经达到826 mm²，拥有540亿个晶体管。

为了打破面积墙，已经提出了大量的研究工作。提出了拼接曝光、芯片间连接技术（Cross-die Wires）等。但是，如何在在性能、功率和面积开销之间实现更好的权衡，仍然是一个难题。

五、功耗墙

晶体管数量翻倍导致性能翻倍背后，有个巨大的隐患就是急剧攀升的功耗。随着处理器频率的增加，芯片消耗的电能指数级增长。

作为芯片的基石，晶体管栅极的开关速度和开启/关断的阈值电压，决定了芯片工作的频率，速度和功耗等。芯片技术节点越进步，栅极长度越小，沟道相应变小。沟道越小，更容易漏电，如此狭小的面积内，任何电流经过都不可避免带来发热，即损耗变大，同时发热量也越大。

近年来单个GPU和CPU的热设计功耗逐年增大，2024年单个GPU的热设计功耗将突破千瓦级。由多个GPU芯片和高带宽存储器阵列组成的系统，热设计功耗可能突破万瓦级。

功耗墙：热设计功耗正在不断增长。图源:英特尔

如不采用冷却手段调控，芯片功率密度将达到太阳表面的温度（5500℃）！恐怖吧？

六、功能墙

单一衬底可实现的功能有限，芯片面积和数量大幅度提升导致整个系统的集成度难以进一步提高。

为突破功能墙，需要发展多芯片异质集成技术，尤其是Chiplet(小芯粒)。比如，将不同衬底材料的芯片进行系统集成。充分发挥化合物半导体和硅集成电路的各自优势，实现多材料体系的融合和多工艺体系的运用，建立从芯片到系统的技术桥梁，实现了系统功能的快速提升，将传感、存储、计算、通信等不同功能的元器件集成在一起，实现电、磁、热、力等多物理场的有效融合。