摘要

放下摩爾定律這個定勢思維，或許不是壞事。后摩爾時代的創(chuàng)新不僅“豐富多彩”，而且還隱含著某些哲理，“硅-馮”范式、類硅模式、類腦模式、新興范式等，人類有可能在半導(dǎo)體晶體管和存儲程序計算發(fā)明百年后，迎來新興的器件技術(shù)與計算架構(gòu)的工程化。

早前，我們從代表硅技術(shù)進步的各代DRAM產(chǎn)品生命周期中，分析計算了硅技術(shù)的S曲線，幾種模擬方法得出S曲線的拐點發(fā)生在2014~2017(平均為2016) 年間[1]。屆時，硅微電子產(chǎn)業(yè)及其R&D總投入均由增速轉(zhuǎn)為減速，進入成熟發(fā)展期，摩爾定律(Moore's Law)開始失靈。早前的這個預(yù)測已為當(dāng)今發(fā)展所印證。2016年3月，權(quán)威雜志《自然》發(fā)文指出，摩爾定律即將終結(jié)。與此同時，信守摩爾定律的英特爾公司在10nm節(jié)點上一再延后，并將其產(chǎn)品升級的“嘀嗒”(Tick-Tock)節(jié)奏模式，更改為“嘀(工藝)-嗒(架構(gòu))-嗒(優(yōu)化)”。

現(xiàn)在不僅學(xué)術(shù)界，廣大產(chǎn)業(yè)界和政界也都認(rèn)為整個產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入了“后摩爾定律時代”，紛紛部署“后摩爾”技術(shù)創(chuàng)新。例如：

2015年, 美國前總統(tǒng)奧巴馬簽署“國家戰(zhàn)略計算推進計劃” (NSCI)總統(tǒng)令，部署“后摩爾定律時代” 技術(shù)創(chuàng)新的支持。

2016年, “全球半導(dǎo)體技術(shù)路線圖”(ITRS)史無前例地放棄了以摩爾定律為主導(dǎo)的思路，在IEEE重啟計算創(chuàng)議下，更改為“自下而上”、應(yīng)用推動技術(shù)發(fā)展的“全球器件與系統(tǒng)路線圖”(IRDS)。

2016年，在中國半導(dǎo)體市場年會暨第五屆集成電路產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新大會上，工信部領(lǐng)導(dǎo)指出，“后摩爾時代”來臨，多措并舉加快集成電路轉(zhuǎn)型。

2017年, 美國國防高級研究計劃局(DARPA)啟動了“后摩爾時代”的電子復(fù)興計劃。

2018年，歐盟提出有法、德、意、英等國29家公司參與的“后摩爾定律時代半導(dǎo)體增值策略”。

午后陽光依然燦爛，在追逐摩爾定律“狂歡”過后，人們將跳出定勢思維，迎接新時代的新范式。

百花齊放，拓展創(chuàng)新視野

過去，在很長時間里，人們自覺地圍繞摩爾定律的步伐，按部就班升級制程工藝、按部就班搭便車進行工程應(yīng)用創(chuàng)新。但是，近年來，隨著制程節(jié)點列車漸近“終點”，信奉摩爾定律的人們開始碰到進退維谷的困惑：跟隨摩爾定律似乎能夠支撐計算應(yīng)用的進步，但它又時時阻礙著這種進步。

現(xiàn)在，這種“困惑”正在讓業(yè)界人士看到，“放下摩爾定律這個定勢思維，或許不是壞事”!為此，我們根據(jù)技術(shù)、架構(gòu)對應(yīng)用的關(guān)系，從技術(shù)與架構(gòu)的分類法中看到(如表1)，后摩爾時代的創(chuàng)新不僅“豐富多彩”，而且還隱含著某些哲理，這些，我們可以從以下各個子節(jié)介紹中看到。

表1

其中，硅CMOS技術(shù)與馮諾依曼架構(gòu)所形成的“硅-馮”范式，涉及技術(shù)和架構(gòu)兩方面的創(chuàng)新。前者包括MOSFET構(gòu)建的CMOS(平面)和泛CMOS(立體柵FinFET、納米線環(huán)柵NWFET 、碳納米管CNTFET、Graphene FET等)技術(shù)，后者則是“在串行體制”內(nèi)進行并行的體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。該范式盡管暴露了很多問題，但仍“欲罷不能”，還將在相當(dāng)長的時期內(nèi)主導(dǎo)著行業(yè)的發(fā)展。

類硅模式是在馮氏架構(gòu)下的新興技術(shù)創(chuàng)新，涉及NC FET(負(fù)電容)、TFET(隧穿)、相變FET、SET(單電子)等仍屬電荷變換的非CMOS技術(shù)，由于能延續(xù)摩爾定律，受到了半導(dǎo)體業(yè)界的重視;

類腦模式是利用包括存儲器在內(nèi)的各種集成電路和3D封裝模擬神經(jīng)元特性，摸索存算一體等計算，因其并行性、低功耗的特點，已經(jīng)在人工智能領(lǐng)域引起了廣泛注意，并已獲得某些工業(yè)應(yīng)用;

新興范式則涉及新的狀態(tài)變換(信息強相關(guān)電子態(tài)/自旋取向)、新興器件技術(shù)(自旋器件/量子)和新興架構(gòu)(量子計算/神經(jīng)形態(tài)計算)。盡管商業(yè)化難度很大，但在基礎(chǔ)探索的同時，也開始進入了產(chǎn)業(yè)視野。

架構(gòu)創(chuàng)新，迎來黃金年代

丹納德縮小(Dennard Scaling)、摩爾定律和計算架構(gòu)是推動“硅-馮”范式技術(shù)進步的兩股力量。在過去很長時間里，盡管架構(gòu)也在不斷創(chuàng)新，但硅CMOS技術(shù)每一年半到兩年升級一大檔，引誘了業(yè)界越來越傾向于“搭摩爾便車”以適時滿足應(yīng)用市場的要求，并因此造就了電子信息產(chǎn)業(yè)的“一代繁榮”。

但是，到2003年后，丹納德(幾何)縮小開始失效，隨后的等效縮小主要依靠器件結(jié)構(gòu)和新材料的創(chuàng)新，在維持硅芯片集成度和性能的增長趨勢下，付出的代價是功耗不再滿足丹納德恒定電場的設(shè)想。

芯片功耗的上升制約了“硅-馮”范式特征產(chǎn)品-硅處理器的性能升級，從單核單線程硅處理器40年發(fā)展歷程(見表2)可以看到，硅處理器的集成度和性能翻番規(guī)律，只在2003年前符合摩爾定律，之后由于丹納德縮放失效、功耗密度不再不變，年均性能增長大幅下降，翻番年數(shù)由1.5年增加到3.5年，隨后更一路下滑到幾乎不再增長，進入了“平臺期”。

表2

單程序硅處理器進入平臺期的時間是2015年，而正是這一年ITRS升級到ITRS2.0，并于2016年更改為IRDS。這些情況表明，丹納德縮放和摩爾定律的終結(jié)，使得“硅-馮”范式的創(chuàng)新主體由技術(shù)轉(zhuǎn)向架構(gòu)，從而迎來架構(gòu)創(chuàng)新的黃金年代[2]。

近幾年來，為應(yīng)對大數(shù)據(jù)、人工智能等高算力的應(yīng)用要求，主流芯片架構(gòu)發(fā)生了重大變化，以期增加每瓦、每個時鐘周期內(nèi)可處理的數(shù)據(jù)量，為數(shù)十年來芯片架構(gòu)轉(zhuǎn)變奠定了基礎(chǔ)，使得異構(gòu)計算(HC)、領(lǐng)域?qū)Ｓ糜嬎恪⒖芍貥?gòu)計算等得到了很大發(fā)展。架構(gòu)創(chuàng)新所涉及的要點有以下幾個方面：

最大限度地減少數(shù)據(jù)移動，同時又使數(shù)據(jù)流最大化;移近計算與存儲、有效利用、提高內(nèi)存帶寬;提高軟件對硬件的適配性、提高軟件重用性和抽象水平;消除不必要的精確性;容忍適當(dāng)?shù)慕朴嬎?優(yōu)化成本、性能、能耗。

異構(gòu)集成，重塑產(chǎn)業(yè)生態(tài)

1965年，摩爾以“在集成電路中塞進(Cramming)更多元件”為題發(fā)表被譽為“定律”的預(yù)測;之后，行業(yè)依此思想由小規(guī)模集成到大規(guī)模集成，一直發(fā)展到今天“塞進”了數(shù)以百億元件的片上系統(tǒng)(SoCs)，把半導(dǎo)體工業(yè)推到一個“無以復(fù)加”的高度。

但“全則必缺，極則必反”(呂氏春秋·博志)。在工藝制程精細(xì)到十幾個、幾個納米的今天，在同一個工藝節(jié)點上，把諸多元件“填鴨式(Cramming)”地做成系統(tǒng)，不僅不能同時優(yōu)化SoCs上不同元部件的特性，還會因此造成“浪費”。另外還因為構(gòu)成復(fù)雜，需要不同團隊的無縫協(xié)同，拉長了設(shè)計時間，極大地提高了產(chǎn)品成本。例如14nm制程工藝，僅僅驗證花費就高達(dá)5千萬美元)。

隨著節(jié)點縮小，工藝變得越來越復(fù)雜且昂貴，在經(jīng)典平面縮放耗盡了現(xiàn)有技術(shù)資源、應(yīng)用又要求集成更加靈活和多樣化的今天，若在芯片中還想“塞進更多元件”，就必須擴展到立體三維，從異構(gòu)集成(HI)中找出路。

2015年(又是這一年)Marvell公司在舊金山的ISSCC(IC奧林匹克賽會)和上海的IC China上提出了模塊化芯片(Modular Chip，MOChiTM )概念：采用DRAM存儲器，CPU、GPU計算元件，LTE Modem、WiFi、南橋等“模塊化”裸芯片，通過異構(gòu)封裝堆疊成智能手機和筆記本電腦處理器，而這些模塊以前就是一顆SoCs芯片。其中特別要指出的是，異構(gòu)集成所堆疊的、可置于計算近處的高帶寬存儲器(HBM)，在SoCs中是難以實現(xiàn)的。

2017年美國國防高級研究計劃局(DARPA)在其啟動的電子復(fù)興計劃中提出名為CHIPS(Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies)的項目，參加單位有英特爾、美光、新思科技以及波音、洛克希德等公司。計劃的目標(biāo)客戶是商業(yè)和軍事應(yīng)用;計劃的思路是建立一個由多方提供的、稱為Chiplet的模塊化裸芯。Chiplet是一種裸管芯(die)形態(tài)的IP，譯為“芯粒”比較恰當(dāng)[3]。它以“搭積木”的方法，采用先進封裝堆疊連接成“多芯粒模組”(MCM)。這是對SoCs的替代，從過去基于IP設(shè)計，變?yōu)榛谛玖?Chiplet as a IP)設(shè)計，它將促進從架構(gòu)探索到模組實現(xiàn)的EDA工具發(fā)展;同時它也是對過去“多芯片模組”(MCM)的螺旋復(fù)歸，從過去芯片(Chip)的組裝到現(xiàn)在基于芯粒(Chiplet)的異構(gòu)集成。這些情況表明，技術(shù)對應(yīng)用的需求，都要回歸到“使用最經(jīng)濟資源，實現(xiàn)最理想功能 ”的電子系統(tǒng)基本要求上來。

基于異構(gòu)集成的芯粒具有很多優(yōu)點，例如：可用不同節(jié)點制造，因而不僅優(yōu)化了各自的性能，而且還因結(jié)構(gòu)緊湊可兼善良率與成本;可以靈活且方便組裝系統(tǒng)，因而能捕捉市場窗口，縮短上市時間;可方便修改設(shè)計，更換異構(gòu)計算中的定制加速部件/協(xié)處理器，從而鼓勵、推動芯片架構(gòu)創(chuàng)新。

在這些優(yōu)點刺激下，芯粒模式發(fā)展迅速。2018年10月，為制定芯粒開放標(biāo)準(zhǔn)、促進芯粒生態(tài)系統(tǒng)、催生低成本SoCs替代方案的ODSA (Open Domain-Specific Architecture)組織成立，發(fā)起單位僅7家，但半年后就增加到53家，去年底則已擴大到70多家，反應(yīng)熱烈。值得指出的是，這次芯粒所誘發(fā)的產(chǎn)業(yè)變革跟上一次Fabless+Foundry完全不同，它是由Intel(IDM)、AMD(Fabless)、TSMC(Foundry)這樣的大企業(yè)主導(dǎo)的，因而來勢洶涌，從提出芯粒重用策略到今天才短短幾年就已經(jīng)形成熱潮。

芯粒是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)方向的重大轉(zhuǎn)變，它必將重塑行業(yè)生態(tài)。芯粒雖然對擁有先進封裝能力的IDM、Foundry有利，但產(chǎn)權(quán)有可能來自系統(tǒng)商、IP商和Fabless等各個行業(yè)部門，而且封測商也占據(jù)了與以前稍有不同的重要地位。由芯粒模式所重塑的行業(yè)生態(tài)將影響著半導(dǎo)體以外的整個電子信息行業(yè)。

推陳出新，科學(xué)實踐突破

“硅-馮”范式是一個極為龐大而復(fù)雜的體系，在70多年趕班車式的發(fā)展歷程中，既積累了天文數(shù)字的寶貴資源，又暴露了難以解決的問題，從而導(dǎo)致人們既想沿著這條路走下去，以收獲成果，但在途中又碰到阻礙這種成果實現(xiàn)的壁壘。為解決這個矛盾，業(yè)界出現(xiàn)了跟半導(dǎo)體更新?lián)Q代類似的科學(xué)實踐。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是一個集極端精密(線寬達(dá)納米級)和極大規(guī)模(僅納米級方孔就數(shù)以億計)于一體的工程科學(xué)，產(chǎn)品制程工序數(shù)以百計，因此在技術(shù)與產(chǎn)品更新?lián)Q代過程中，釆用了“嘀”(工藝升級)-“嗒”(產(chǎn)品換代)策略，即在工藝升級時產(chǎn)品(比如存儲器)架構(gòu)保持不變，便于找出工藝問題，而在工藝穩(wěn)定后再換代產(chǎn)品，集中解決新產(chǎn)品本身的問題。

在多元相關(guān)復(fù)雜的“硅-馮”范式中，早在多年前就已經(jīng)開始了“嘀”-“嗒”的進步策略，表一中的類硅模式是一個例子，即在馮氏架構(gòu)不變情況下，沿著電荷狀態(tài)變換，尋找可代替CMOS的器件技術(shù)，其中除了改善MOS晶體管亞閾值的負(fù)電容FET、二維材料FET等外，還進行了諸如納電子機械NEM relay之類的全新機制的技術(shù)探索。另一個例子是表一中的類腦模式，它利用現(xiàn)行器件技術(shù)模擬非馮架構(gòu)，其中特別是改變存儲與計算分離的“存內(nèi)算計算”和區(qū)別于“程序流”的“脈沖或尖峰傳遞信息的事件驅(qū)動”計算。

縮小變數(shù)、聚焦問題的“嘀”-“嗒”研究策略，既能為顛覆性的創(chuàng)新打基礎(chǔ)，又滿足了市場對高算力應(yīng)用的要求。

超越摩爾，回歸物理基礎(chǔ)

從物理角度看，馮氏計算的性能與頻率正相關(guān)，而硅CMOS技術(shù)的功耗卻正比于頻率的3次方，“硅-馮”范式碰到了難以逾越的功耗墻瓶頸。一位被譽為可重構(gòu)計算之父的德國教援R. Hartenstein在2016年提到：“70年前采用馮諾依曼原理是歷史上最大的錯誤之一 ”，某種程度上表明現(xiàn)在已經(jīng)到了探索新的替代范式的時候了。

道生萬物，萬物復(fù)歸于道。技術(shù)與計算早期都是始于“模擬”，后來才慢慢“數(shù)字化”。經(jīng)歷了計算與網(wǎng)絡(luò)的第一次數(shù)字化浪潮、移動計算的第二次數(shù)字化浪潮和現(xiàn)在正進入的以數(shù)字智能為特征的第三次數(shù)字浪潮，計算技術(shù)今后不知道還會不會進一步發(fā)展。但基于人類認(rèn)識的螺旋上升特點，在“非0即1”精確可控的高度“數(shù)字化”后，又會“復(fù)歸”于“模擬”。

自然界有兩個神秘而奇特的現(xiàn)象，一個是詭異的量子疊加與糾纏現(xiàn)象，一個是至今難以說清的腦意識現(xiàn)象，這些現(xiàn)象中的狀態(tài)變換，不是“非此即彼”，而是具有概率結(jié)構(gòu)或事件驅(qū)動性質(zhì)的模擬計算。

在摩爾定律逐漸示微的過程中，波粒二象性的量子計算和基于新功能材料的腦靈感神經(jīng)形態(tài)計算必將加速發(fā)展，人類有可能在半導(dǎo)體晶體管和存儲程序計算發(fā)明百年后，迎來新興的器件技術(shù)與計算架構(gòu)的工程化。屆時，我們又將看到從現(xiàn)在的工程應(yīng)用創(chuàng)新回歸到物理基礎(chǔ)創(chuàng)新。顛覆性基礎(chǔ)創(chuàng)新將把人類推向更高的文明。