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芯片设计的变化

随着IoE开始运转,摩尔定律开始减速,接下来会发生什么?

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我们都知道sub-10nm即将到来。但这真的会定义下一代半导体吗?

半导体技术的进步越来越不仅仅是硬件的进步。它还涉及到设备本身外围应用程序和技术的进步。这听起来可能有悖常理,但如果把技术、应用和软件结合起来,就能产生尖端性能,那么这些技术、应用和软件并不一定只依赖于硅的原始性能。

事实上,关于半导体技术的改进如何影响其应用的设备发展,有一整套的指标。例如,如果一个晶圆片的成本是50万美元,那么对10nm电路的需求会有多大?

“产品设计面临三个同时存在的问题,”Greg Yeric说手臂的家伙。“当然,这是有代价的。而且性能。而且必须在电力预算范围内。现在,几乎所有产品都面临电力问题,无论是能源账单和数据中心的冷却成本,还是移动电话的温度,还是物联网的能源获取预算。”

转变之风
人们几乎一致认为,摩尔定律正在变慢,而且越来越难以遵循。它是否正在结束是一个持续了几十年的争论问题。但毫无疑问,它正在引发一些翻天覆地的变化。

“这个行业正在经历一些巨大的变化,”该公司首席技术官吉姆•阿拉里斯(Jim Aralis)表示Microsemi。“我们正在进行改变事物正在进行的地方以及如何以相对前所未有的方式进行的。由于工艺和相关成本的能力,行业设计和使用电路的传统方式正在发生变化。“

ARM的Yeric表示同意。“随着摩尔定律的放缓,更彻底的改变变得可行,”他说。“在芯片层面,我们看到越来越多的使用类似于电路层面的异质性,以促进产品规模化。”

内存也突然变得更加重要了,无论是在工作最好的内存类型方面,还是在更快地获取数据进出内存的数据路径架构方面。Rambus进入DRAM内存控制器就是一个很好的例子。优先级和优化的挑战变得如此复杂,以至于该公司从去年开始生产硬件,而不仅仅是为硬件销售IP。

像混合内存立方体和高带宽内存这样的新架构为加速吞吐量的设计增加了另一个维度。甚至嵌入式闪存也开始转向更安全、密度更高的替代方案,比如一次性可编程存储器,它的单个位元设置由保险丝锁定。

“与IOT,特别是工业和新的消费者应用,密度正成为一个关键问题,”工程工程副总裁Jen-Tai Hsu说Kilopass。“有很多应用程序都是代码密集型的。为了进行片上计算,你必须在内存中放入大量代码。物联网不再是关于愚蠢的设备。有很多芯片上的实时计算。但问题不在于计算速度。而是需要存储的数据量,因此需要更大的密度。”

徐道临表示,云中的服务器和网络边缘的路由器也是如此。所有这些都需要实时计算,而这反过来又需要更多的内存密度。“现在的维度比过去多得多。您过去只是缩小核心应用程序处理器或MCU。这已经不起作用了。”

除了硬件
这些更改也不限于硬件。它们在整个半导体生态系统中传播。传统的路径 - 这对许多行业来说都是真的 - 是使事情更小,更快,更密集(更便宜)。如果不在未来的IOE迫在眉睫,那可能仍然是有效的方法。但在这个勇敢的新世界中,新的范式一直在浮出水面。在所有情况下,缩小功能的永久循环不再适用。

在材料、光刻和制造方面将继续取得进展finFETs和single-nanometer几何图形。最重要的是,更低的功率、更低的成本和更高的密度等常规指标仍然很重要。但它们不再是唯一重要的基准,在某些情况下,它们甚至不再相关。

流程和相关成本的变化正在改变基本的业务等式。“芯片已经不再是创新最多的领域了,”阿拉里斯说。

ChaoLogix业务发展副总裁乔德里•亚纳马达拉(Chowdary Yanamadala)对此表示赞同。“尽管未来几年半导体结构的所有创新仍将非常重要,但一个不太明显但非常重要的趋势是商业模式创新的演变。”

这也包括部署现有技术的新方法。Yanamadala认为,大多数创新将出现在系统、应用和软件层面,这尤其与IoE相关,在后者中,功能和空间有限的低端、低复杂度设备将与复杂的服务器和网络设备结合在一起。

对于边缘设备,主要任务可能局限于识别和一些简单的指令。智能袜子或牙刷要多复杂才能保持经济可行性?对于另一端的设备,如联网车辆、基础设施管理、电信、医药、军事和其他高端、价格不那么敏感的领域,finfet、纳米管和单纳米栅极拓扑将找到合适的位置。但即使在如此复杂和昂贵的生态系统中,也会有成本压力和对低端芯片的需求。

今天没有划痕的流血芯片是一定的秘密,今天是成本禁止的,这就是为什么第三方知识产权市场存在这样的爆炸。“在HDL级别,甚至在晶体管级别,它是代码的,7nm的设计将花费近20亿美元,”Aralis说。“这意味着在系统级别会发生越来越多的芯片设计。”

在10纳米以下制造的不同芯片的数量将越来越受到需要缩小特征尺寸的应用程序的限制。即使行业开始扩大此类应用的开发,早期开发的成本也将是巨大的。这意味着更可编程的解决方案,具有先进封装(如2.5D和扇出)的新架构,以及具有大量可编程结构的硬IP处理器的专用fpga。

从去年开始,这些解决方案有一系列进入市场Marvell.MoChi或模块化芯片架构台积电实际上,在对这种方法的兴趣开始蓬勃发展之前,它已经存在了好几年。

美满电子董事长兼首席执行官苏泰佳(Sehat Sutardja)表示,推动因素是选择更简单、上市时间明显更快以及一致性更强。在台积电的案例中,驱动程序是类似的,但芯片制造商必须完成更多的工作,才能将其打包到铸造厂。

这两种方法都依赖于接受第三方IP将成为许多设计中更大的组件。它将决定可以做什么,成本是多少,以及最终哪个铸造厂将成为设计循环的一部分。随着代工过程的不断分化,以及他们对更多第三方IP的认可,他们将支持的IP块的数量(以及有能力跟上他们过程变化的IP供应商的数量)将会减少。这也引发了一些臆想,一些代工厂,特别是专业代工厂,将在未来提供一些自己的知识产权

“生产关键IP的成本极其高昂。甚至连运输都很昂贵,”阿拉里斯说。因此,流程选择是根据IP的昂贵程度和可用性来决定的。

100 GHz ADC就是一个例子。今天只有两种工艺可以用于这个电路,所以唯一的选择是去代工的IP。有趣的是,与铸造厂的关系是次要的。如果已经建立了一种关系,那就更好了。但这是一个全新的芯片设计和制造范式,也是规模经济如何改变芯片版图的主要例子。

对于其他方法,标准业务模型将更倾向于构建IP并将其集成到fpga、软件包或复杂soc中。或者厂商将构建能在不同类型处理器上运行的算法。

技术仍然很重要
虽然业务变化至关重要,但正在推动技术的信封。这对于安全原因越来越重要。虽然可能没有必要在许多情况下部署出血边缘,但总是有些情况需要,例如金融,政府,医学,军事,运输,空间,电信等部分。简而言之,如果你不是主导狗,那么视图永远不会改变,你看不到什么即将来临。

虽然在半导体开发中有几个区域刷出了出血边缘,但其中一个令人兴奋的是材料。石墨烯已经捕获了大部分盲目的盲目的思维,而III-V材料继续在高级节点中讨论,因为难以通过越来越窄的电线移动电子。

石墨烯是单颗粒厚的碳,具有非常理想的电性能,柔韧性和强度。是最强大的材料测试和更具导电性,电阻率小于最纯银的35%。主要是,它是热电和电力的有效导体,并且表现出双极效应。

然而,它确实有一个基本的缺点——没有带隙。这是由于它的对称结构。有时需要对称结构,比如石墨烯,这种对称结构实际上会导致原子散射电子,使它们相互抵消,这很难控制。然而,在这方面也有一些成功的案例。图1显示了一种方法的图形。

图1使用
图1所示。石墨烯场效应晶体管的例子。资料来源:马来西亚科技大学。

石墨烯极薄且强度极高(这是其散热性能良好的主要原因)。假设它的厚度是3.35埃,它的强度是同样厚度的钢的100倍,速度也是钢的100倍。它还表现出了电荷的弹道传输和材料中的大量子振荡的特性。

半导体器件小型化的最大挑战之一,以及一般的电子设备是您的设备的较小或更快,使其更加挑战。这是石墨烯的闪亮星星之一。它具有非常高的导热性,因此能够快速消散热量,导致较冷的行驶电路。

能源部的斯坦福直线加速器中心(SLAC)研究了当石墨烯与普通半导体聚合物结合时,材料的各种特性会发生什么变化。他们发现,在单层石墨烯上生长的聚合物薄膜比在薄硅层上生长的聚合物薄膜更能传递电荷。

半导体聚合物的标准理论是聚合物膜的较薄,相对于电子流动的速度更快和更有效。然而,这组实验表明,当沉积在石墨烯上比单独厚度约10纳米的相同膜沉积时,将约50纳米厚的聚合物膜进行约50倍。如果它可以是弥补和始终如一的批量,可以改变石墨烯半导体的游戏。

它对可穿戴电子产品的影响也有深远的影响,其中柔性材料将是各种设备的巨大推动力。可能候选人的其他应用是光伏,医学传感器和触摸屏。

对于一般的半导体设计,石墨烯可以被卷成一个圆柱体,基本上成为一个“半导体碳纳米管”。在室温下,迁移率超过100,000 cm2/Vs(可能有200,000 cm2/Vs)。相比之下,典型半导体的功率约为1400 cm2/ v,一些最新技术的功率约为5000 ~ 6000 cm2/ v。这意味着极高的转换速度。

这对集成电路的影响是令人难以置信的。这些设备不仅可以极快地开启和关闭,而且凭借石墨烯增强的热特性,一代又一代的石墨烯基芯片可以超快、超小、更少的热问题。这会让那些100兆赫的dac看起来像静止不动。

但是它的导电性对于很多应用来说还是有点高。而且,正如前面提到的,制造带隙仍处于实验阶段。从生产的角度来看,不同于由大的硅晶体雕刻而成的硅晶体,这与只有2纳米的石墨烯纳米带不同。而且它们价格昂贵,生产起来也相当复杂。最后,虽然转换石墨烯纳米管或石墨烯带在理论上是可能的,但这是一个非常脆弱的命题,因为这些设备比人的头发还要小10万分之一。

结论
半导体设计的变化是多方面的。有业务模型、技术模型和需求模型。据说如果你建好了,他们就会来。我们看到,这一理念出现了一些裂痕。

即使是该领域的专家也不总是确定该在哪里下注。在设计和经济方面有很大的变化,有大量的实验正在进行,以找出什么是最经济的和最好的解决方案,为各种应用。并购以及与这些交易相关的一系列分拆就是证据。

这种格局将如何转变有一些水晶球的因素。一些代工厂会成为知识产权中心吗?小于10nm的几何图形在经济上是否可行?芯片是否会变成哑的、通用的,而应用、IP和系统级设计将成为焦点?这些都是有趣的问题,到目前为止还没有明确的答案。



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