Nature重磅文章,英特爾和加州大學(xué)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(xué)伯克利分校的研究人員正在研究超級芯片,已經(jīng)在“自旋電子學(xué)”領(lǐng)域取得突破進(jìn)展。
目前,摩爾定律為“半導(dǎo)體芯片中可容納的元器件數(shù)目,約18個(gè)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(diǎn)后晶體管將逼近物理極限,導(dǎo)致摩爾定律終結(jié)。
研究人員用“自旋電子學(xué)”技術(shù)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(shù),現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用在從手機(jī)、電器、汽車和超級計(jì)算機(jī)等各個(gè)領(lǐng)域。晶體管在半導(dǎo)體內(nèi)部周圍移動(dòng)電子并將它們存儲(chǔ)為二進(jìn)制信息0和1。
自20世紀(jì)80年代初以來,大多數(shù)電子產(chǎn)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(guān)半導(dǎo)體電導(dǎo)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(xué)伯克利分校的研究:超出CMOS的可伸縮邏輯技術(shù),能夠提高馮?諾伊曼架構(gòu)的效率和性能,并在人工智能等新興計(jì)算領(lǐng)域?qū)崿F(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(zhuǎn)導(dǎo)和磁電開關(guān)來工作。該裝置采用先進(jìn)的量子材料,特別是相關(guān)氧化物和物質(zhì)拓?fù)錉顟B(tài),進(jìn)行集體開關(guān)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(guān)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(huì)影響另一種狀態(tài)。通過控制電場的變化與翻轉(zhuǎn),就可以改變磁場狀態(tài),這對MESO的誕生至關(guān)重要。
基于磁電和自旋軌道材料,MESO由原來CMOS中的二進(jìn)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(zhuǎn)導(dǎo)和設(shè)備操作
鉍鐵氧化物多鐵材料的單晶體結(jié)構(gòu)。鉍原子(藍(lán)色)在立方體的每個(gè)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(zhuǎn)也會(huì)造成磁矩翻轉(zhuǎn)。該材料中原子的共同磁自旋對二進(jìn)制信息0和1進(jìn)行編碼,并實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算。
與CMOS技術(shù)相比,MESO具有更優(yōu)越的轉(zhuǎn)換能量(10到30倍),更低的開關(guān)電壓(5倍)和增強(qiáng)的邏輯密度(5倍)。此外,它的非易失性可實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)功耗,這對現(xiàn)代計(jì)算至關(guān)重要。這表明,自旋電子邏輯技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多代計(jì)算的發(fā)展。
MESO的邏輯運(yùn)算速度比CMOS高五倍,延續(xù)了摩爾定律中對單位面積計(jì)算的進(jìn)步趨勢。
在“自旋電子學(xué)”技術(shù)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?qū)?yīng)用,來自中國半導(dǎo)體的壓力也是研發(fā)動(dòng)力
MESO器件的材料最初由加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程和物理學(xué)教授Ramamoorthy Ramesh于2001年發(fā)現(xiàn),他同時(shí)也是這篇論文的資深作者之一。
Ramamoorthy Ramesh認(rèn)為,未來,全球計(jì)算市場有兩大趨勢迫切需要更節(jié)能的計(jì)算機(jī)。一個(gè)是物聯(lián)網(wǎng),一個(gè)是AI。
物聯(lián)網(wǎng)意味著每個(gè)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(gè)市場的確切規(guī)模正在爭論中,但人們一致認(rèn)為它正在迅速發(fā)展。
人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)雖然處于初期階段,但未來將在各種技術(shù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。然而,這些應(yīng)用目前受到存儲(chǔ)器的限制以及計(jì)算效率的限制。因此,我們需要更強(qiáng)大的芯片,消耗更低的能量。在這些新興應(yīng)用的推動(dòng)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(dǎo)體技術(shù)的動(dòng)力。目前,中國已投入數(shù)千億美元用于建設(shè)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(jì)算機(jī)都是在中國制造的,所以這對美國來說是一個(gè)戰(zhàn)略問題。
據(jù)美國能源部預(yù)計(jì),隨著計(jì)算機(jī)芯片產(chǎn)業(yè)在未來幾十年內(nèi)擴(kuò)大到數(shù)萬億美元的規(guī)模,計(jì)算機(jī)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(yùn)輸總能耗相當(dāng)。
在論文中,研究人員稱,他們已將多鐵材料的磁電控制開關(guān)所需的電壓從3伏降低到0.5伏,并預(yù)測未來應(yīng)該可以降到0.1伏左右:這僅相當(dāng)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(jìn)制數(shù)所需的總能量僅相當(dāng)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(gè)時(shí)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(shí)際上業(yè)界已經(jīng)非常焦慮了。
有關(guān)摩爾定律即將乃至已經(jīng)終結(jié)的論調(diào)最近幾年來愈發(fā)“深入人心”,好比英偉達(dá)CEO黃仁勛,在不久前的GTC蘇州直接說“摩爾定律已經(jīng)完結(jié)”。
但是,業(yè)界對于延長摩爾定律實(shí)際上從來都沒有死過心。
IRDS(International Roadmap for Devices and Systems)是IEEE設(shè)立的一個(gè)組織,從1965年開始,每年都會(huì)發(fā)布一份半導(dǎo)體領(lǐng)域技術(shù)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(yīng)各種系統(tǒng)級新技術(shù)。
2017年,IRDS發(fā)布的路線圖引發(fā)了軒然大波,因?yàn)樗A(yù)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(dǎo)體工藝還還會(huì)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(biāo)是沒有變化的,也就是說晶體管并不會(huì)縮小,在5nm節(jié)點(diǎn)后就不會(huì)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(dǎo)體技術(shù)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(dǎo)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(shù)(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(guān)”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(jìn)行大規(guī)模制造。
Beyond CMOS是當(dāng)前學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)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(dāng)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(rèn)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(diǎn),MESO是在室溫條件下使用量子材料,相比當(dāng)前采用專用芯片(DSA)等架構(gòu)創(chuàng)新方案的前進(jìn),從CMOS到MESO的路徑如果能得以實(shí)現(xiàn),將是一個(gè)質(zhì)的飛躍。
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原文標(biāo)題:【Nature重磅】“超級芯片”或在十年內(nèi)誕生,摩爾定律再續(xù)一命!
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