根據一份有關半導體發展藍圖的白皮書，傳統的半導體制程微縮預計將在2024年前告終；好消息是各種新型的元件、芯片堆疊和系統創新仍持續使運算性能、功耗和成本受益…

根據致力于規劃新版半導體發展藍圖的工程師所提供的白皮書，傳統的半導體制程微縮預計將在2024年以前告終。值得慶幸的是，各種新型的元件、芯片堆疊和系統創新，可望持續使運算性能、功耗和成本受益。

在國際元件與系統技術藍圖(International Roadmap for Devices and Systems；IRDS)最新發表的一份白皮書中提到，“由于多間距、金屬間距以及單元高度同時微縮，使得晶粒成本迄今持續降低。這一趨勢將持續到2024年?！?/p>

在2024年以后，該白皮書中提到，“已經沒有足夠的空間布局觸點，加上接觸多間距(CPP)微縮導致性能退化的結果，預計實體通道長度將因靜電程度惡化而在12nm飽和，CPP則在24nm飽和，以保留足夠的電源密度(~11nm)，使元件觸點提供可接受的寄生效應?！?/p>

IRDS是首度于1965年發布的“國際半導體技術藍圖”(ITRS)之延伸版本。去年五月，IEEE接手后將它重新命名為IRDS，并擴展到涵蓋新型系統級技術。

IEEE預計將于11月在美國華府舉行的活動上正式發布IRDS的第一個版本。新的白皮書象征邁向更新版本的過渡階段。

在ITRS時代的許多白皮書都在介紹傳統的研究，例如CMOS微縮、新興元件與良率等。只有幾篇論文能不落俗套地介紹一些新的領域，例如系統互連，以及量子與神經系統等新型運算。

半導體芯片將自2021年起面臨實體尺寸限制的挑戰（來源：IRDS）

在所有的白皮書中，所謂的“后摩爾定律”(More Moore)在文章中有最詳盡的介紹。它提供有關邏輯元件與存儲器元件尺寸與材料及其關鍵元件(如互連)的大量資訊。

例如，在白皮書中預測，FinFET可為實現高性能邏輯應用持續微縮到2021年；然而，在2019年以后，將開始轉向環繞式閘極(GAA)電晶體，并可能轉向需要垂直納米線元件，屆時將會因為鰭片寬度微縮限制，而不再有閘極長度微縮的空間?！?/p>

該白皮書中并預測，插入高遷移率材料(如鍺)，可望使“驅動電流提高一個數量級”。

它還預測，隨著芯片制造商轉移到水平和垂直GAA電晶體，“2019年以后的寄生效應將隨設計規則緊縮而成為主要的旋鈕，預計寄生效應將在關鍵路徑性能發揮更大影響力。”

芯片堆疊和各種新興元件可望為CMOS以外的元件提高性能以及降低成本?！皹I界必須追尋3D整合路徑，如堆疊與單片3D (或序列整合)，以維持系統的性能與增加功率，同時保有成本優勢?！?IEEE研究員兼IRDS主席Paolo A. Gargini表示：“我們的研究團隊正致力于確認挑戰以及提議可能的解決方案，突破摩爾定律所定義的現有限制?！?/p>

隨著芯片微縮，新的材料將需要保持性能和低功耗。（來源：IRDS）

系統創新就在眼前...

這份白皮書的初步版本針對新系統架構指出，“針對摩爾定律的限制，許多組織均根據新的元件實體提出補救措施。代表性的新元件包括神經形態電路、量子位元與自旋電子學等等。這些新的元件代表大幅擴展以往關注于CMOS與微處理器的領域…明顯偏離了現有的發展路徑?！?/p>

為了實現這種新架構，該發展藍圖還包括有關于應用基準的新部份，標示出11個值得追蹤的領域，廣泛地涵蓋運算方式等。

針對系互連部份則廣泛探討有線與無線連接的挑戰，包括為先進的RF電路“增加鍺和三五族(III-V)材料的使用，并將其整合于硅基的CMOS平臺上?！?/p>

數據中心“則需要緊密型低成本功率光子元件以及緊密型布線電路的開發?！?/p>

半導體開發藍圖預期未來各種不同的運算方式將遍地開花（來源：IRDS）

最后還探討了確保新興物聯網(IoT)將采取“需要耦合軟件與硬件的新方法”。有趣的是，在預測CMOS微縮的部份，也預期英特爾(Intel)最近發布的3D XPoint將會是新一代的儲存類存儲器之一。

“盡管細節部份仍然不足，但據推測，基于硫族化物的相變材料閾值切換(OTS)特性構成了選擇器元件的核心。”