摩爾定律延續(xù)的希望來了！打開“超級芯片”大門，現(xiàn)有晶體管或被新材料取代

Nature重磅文章，英特爾和加州大學伯克利分校的研究人員正在研究超級芯片，新的材料有望取代目前的晶體管，將芯片元件尺寸縮小五分之一，功耗降低90%，為摩爾定律再續(xù)一命。

摩爾定律延續(xù)的希望來了！

Nature發(fā)布的最新論文顯示，英特爾和加州大學伯克利分校的研究人員正在研究超級芯片，已經在“自旋電子學”領域取得突破進展。

目前，摩爾定律為“半導體芯片中可容納的元器件數(shù)目，約18個月增加一倍”，其中的“元器件”主要為CMOS晶體管，目前主流看法是在5nm節(jié)點后晶體管將逼近物理極限，導致摩爾定律終結。

研究人員用“自旋電子學”技術可以讓現(xiàn)在常見的芯片元件尺寸縮小到五分之一，并降低能耗超過90%，一旦商業(yè)成功，有望研發(fā)出“超級芯片”，為摩爾定律“續(xù)命”。

打開“超級芯片”大門，現(xiàn)有晶體管或被新材料取代

70年前發(fā)明的晶體管技術，現(xiàn)在已經廣泛應用在從手機、電器、汽車和超級計算機等各個領域。晶體管在半導體內部周圍移動電子并將它們存儲為二進制信息0和1。

自20世紀80年代初以來，大多數(shù)電子產品都依賴于CMOS晶體管的使用。然而，CMOS操作的原理涉及由絕緣柵極控制的可開關半導體電導率，這在很大程度上是不變的，即使晶體管能被縮小到10納米的尺寸。

Nature發(fā)表的英特爾和加州大學伯克利分校的研究：超出CMOS的可伸縮邏輯技術，能夠提高馮?諾伊曼架構的效率和性能，并在人工智能等新興計算領域實現(xiàn)增長。

具體而言，研究人員提出一種可伸縮的自旋電子邏輯器件“MESO器件”，它通過自旋軌道轉導和磁電開關來工作。該裝置采用先進的量子材料，特別是相關氧化物和物質拓撲狀態(tài)，進行集體開關和檢測。

MESO基于由鉍、鐵和氧（BiFeO 3）組成的多鐵材料組成，既有磁性又有鐵電性。這種材料的關鍵性優(yōu)勢在于這兩種狀態(tài)是相互聯(lián)系或耦合的，因此改變一種狀態(tài)會影響另一種狀態(tài)。通過控制電場的變化與翻轉，就可以改變磁場狀態(tài)，這對MESO的誕生至關重要。

基于磁電和自旋軌道材料，MESO由原來CMOS中的二進制數(shù)表示方式變成了多鐵材料的磁自旋的高、低態(tài)。

圖1：MESO邏輯轉導和設備操作

鉍鐵氧化物多鐵材料的單晶體結構。鉍原子（藍色）在立方體的每個面上與氧原子（黃色）形成立方晶格，鐵原子（灰色）位于中心。稍微偏離中心的鐵與氧相互作用形成電偶極子（P），與原子（M）的磁自旋耦合。電場（E）的翻轉也會造成磁矩翻轉。該材料中原子的共同磁自旋對二進制信息0和1進行編碼，并實現(xiàn)信息存儲和邏輯運算。

與CMOS技術相比，MESO具有更優(yōu)越的轉換能量（10到30倍），更低的開關電壓（5倍）和增強的邏輯密度（5倍）。此外，它的非易失性可實現(xiàn)超低待機功耗，這對現(xiàn)代計算至關重要。這表明，自旋電子邏輯技術可以實現(xiàn)多代計算的發(fā)展。

MESO的邏輯運算速度比CMOS高五倍，延續(xù)了摩爾定律中對單位面積計算的進步趨勢。

在“自旋電子學”技術下，MESO有望在未來取代目前廣泛使用的CMOS晶體管，“超級芯片”將誕生，可以說，MESO有望為摩爾定律“再續(xù)一波”。

未來十年或將應用，來自中國半導體的壓力也是研發(fā)動力

MESO器件的材料最初由加州大學伯克利分校材料科學與工程和物理學教授Ramamoorthy Ramesh于2001年發(fā)現(xiàn)，他同時也是這篇論文的資深作者之一。

Ramamoorthy Ramesh認為，未來，全球計算市場有兩大趨勢迫切需要更節(jié)能的計算機。一個是物聯(lián)網，一個是AI。

物聯(lián)網意味著每個建筑物、每輛汽車都將完全配備微電子，萬物互聯(lián)。雖然這個市場的確切規(guī)模正在爭論中，但人們一致認為它正在迅速發(fā)展。

人工智能/機器學習雖然處于初期階段，但未來將在各種技術領域中得到應用。然而，這些應用目前受到存儲器的限制以及計算效率的限制。因此，我們需要更強大的芯片，消耗更低的能量。在這些新興應用的推動下，微電子市場有可能呈指數(shù)級增長。

Ramamoorthy Ramesh還提到，國際上的競爭也是研發(fā)下一代半導體技術的動力。目前，中國已投入數(shù)千億美元用于建設晶圓廠，這在以前只有美國公司才能制造它們。兩年來，世界上最快的計算機都是在中國制造的，所以這對美國來說是一個戰(zhàn)略問題。

據美國能源部預計，隨著計算機芯片產業(yè)在未來幾十年內擴大到數(shù)萬億美元的規(guī)模，計算機消耗的能量占比將從目前全美總能耗的3%飆升至20％，幾乎與今天的交通運輸總能耗相當。

在論文中，研究人員稱，他們已將多鐵材料的磁電控制開關所需的電壓從3伏降低到0.5伏，并預測未來應該可以降到0.1伏左右：這僅相當于目前廣泛使用的CMOS管的五分之一到十分之一。低電壓就意味著低能耗：使用MESO器件表示二進制數(shù)所需的總能量僅相當于CMOS所需能量的十分之一到三十分之一。

不過，MESO器件還有很多路要走。Ramamoorthy Ramesh給了個時間表：這將需要十年。

CMOS集成電路2024年走到盡頭？大家紛紛為摩爾定律續(xù)命

十年是否太長？實際上業(yè)界已經非常焦慮了。

有關摩爾定律即將乃至已經終結的論調最近幾年來愈發(fā)“深入人心”，好比英偉達CEO黃仁勛，在不久前的GTC蘇州直接說“摩爾定律已經完結”。

但是，業(yè)界對于延長摩爾定律實際上從來都沒有死過心。

IRDS（International Roadmap for Devices and Systems）是IEEE設立的一個組織，從1965年開始，每年都會發(fā)布一份半導體領域技術路線圖，之前叫做ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductors）路線圖，2016年更名為IRDS，從而全面地反應各種系統(tǒng)級新技術。

2017年，IRDS發(fā)布的路線圖引發(fā)了軒然大波，因為它預測傳統(tǒng)CMOS集成電路到2024年——距今僅僅6年后——就將走到盡頭。

從IRDS路線圖中可以看到，從2024年開始，雖然半導體工藝還還會有2.5nm、1.5nm線寬之分，但注意紅框部分，這幾種新工藝的柵極距等指標是沒有變化的，也就是說晶體管并不會縮小，在5nm節(jié)點后就不會變了。換句話說，傳統(tǒng)CMOS電路將在2024年走到盡頭。

但是，CMOS電路在2024年“碰壁”，并不代表半導體技術就將停止發(fā)展。

IRDS白皮書中指出了新的發(fā)展方向，包括采用新的半導體材料和制造工藝縮小晶體管特征尺寸（也即所謂的“More Moore”），使用3D堆疊等創(chuàng)新的系統(tǒng)集成技術（More than Moore），以及Beyond CMOS——使用CMOS以外的新器件提升集成電路性能。

簡單說，Beyond CMOS的主要思路就是制造“新型開關”來處理信息，這類器件的特性包括但不限于：高的功能密度、更高的性能提升、更低的能耗、足夠穩(wěn)定、成本適宜，能夠進行大規(guī)模制造。

Beyond CMOS是當前學界和產業(yè)界的研究熱點之一，目前大力探索中的方案就不下十幾種，而英特爾在這方面自當是不遺余力。

英特爾在Beyond CMOS上有多條路（下圖），其中MESO是最近獲得突破的方案。

英特爾認為，與現(xiàn)有的CMOS解決方案相比，MESO器件可以將電壓需求降低5倍，特定情況下能將能耗降低10-30倍。

最核心的一點，MESO是在室溫條件下使用量子材料，相比當前采用專用芯片（DSA）等架構創(chuàng)新方案的前進，從CMOS到MESO的路徑如果能得以實現(xiàn)，將是一個質的飛躍。