IEEE谈半导体的未来

半导体未来将如何发展？

新冠疫情冲击着全球供应链，半导体给从业者着实上了一课。有一部分人在率先了解芯片短缺的原因后，发现可以经过不断尝试在一个芯片上安装2万多亿个晶体管，而且还会发现摩尔定律的未来在很大程度上取决于把电线放在哪里，把晶体管做的有多小等等。

因此，重温近一年与半导体相关的内容，IEEE做出了如下几点总结。

一些汽车制造商常常会发生这样的情况：即便已经通过增加多个供应商来对冲风险，但这些供应商或这些供应商的上游企业可能都在使用同样的一小组半导体晶圆厂的产品。

回顾过去，汽车制造商在疫情爆发时惊慌失措，纷纷取消了订单。然后，当人们似乎还想买汽车的时候，他们发现所有需要的显示驱动器、电源管理芯片和其他低利润的东西都已经被卷入了“在家工作学习和生活”的消费热潮中。汽车制造商打算重新购买芯片时，这条长队已经快排到了一年以后，这又引起了恐慌。

芯片制造商竭尽全力满足需求，并迅速展开了一波扩张，不过扩张的主要产能在利润率更高的先进制程芯片，而非那些汽车行业需要的成熟制程芯片。来自芯片制造设备行业协会SEMI的最新数据显示，2021年半导体设备的销售额将突破1000亿美元，这是前所未有的。

而汽车制造商也已经吸取了教训。2021年夏天，在纽约州马耳他的格芯八号工厂（GlobalFoundries Fab 8）与汽车电子产业相联系，最后格芯与福特、宝马签署了协议。

晶体管可以做得想有多小就有多小，但是如果不能将其相互连接起来，那就没有意义了。因此Arm和比利时研究所Imec花了几年时间寻找这其中的联系。他们发现的最佳方案是，将向逻辑电路（而非数据）输送电力的互连线埋入硅片表面，让它们连接到芯片背面的电源配送网络。这一研究趋势突然成为新闻热点，因为英特尔好像曾表达过相似的话，“哦，是的，我们肯定会在2025年这么做。”

什么东西有2.6万亿个晶体管，耗电20千瓦，内部带宽足以播放10亿部Netflix上的电影？当然，这是史上最大芯片的第二代。去年4月，Cerebras Systems公司推出了一款使用更先进的芯片制造技术的版本，超越了之前推出的人工智能处理器。其结果是，芯片内存增加了一倍多，达到了40GB，处理器内核数量从之前的40万个增加到85万个，并且多了1.4万亿个晶体管。

尽管这一切都让人感到不可思议，但弄清它的用处才是最重要的。Cerebras展示了一种方法，计算机可用其容纳二代晶圆规模引擎Wafer ScaleEngine，以训练多达 120 万亿参数的神经网络。作为参考，庞大的GPT-3自然语言处理器1750亿参数的神经网络。此外，如今人们可以同时连接到192台这样的计算机。

当然，Cerebras公司的计算机并不是唯一用来处理庞大的人工智能培训工作的计算机。SambaNova也在追求于此，显然谷歌也在关注一些非常大的神经网络。

IBM声称已经开发出一种2纳米节点芯片，并预计在2024年投入生产。考虑到这一点，领先的芯片制造商台积电（TSMC）和三星（Samsung）正在全力开发5nm节点芯片，可能于2022年对3纳米节点芯片的开发进行试水。如去年提的那样，大部分人所说的技术过程节点与它所构造的晶体管任何部分的大小都毫无关系。因此，IBM的研发进程是否优于竞争对手，将取决于密度、功耗和性能的综合方面。

真正重要的是，IBM的工艺是对纳米片晶体管作为硅材料未来的又一次认可。各大芯片制造商正以各自的步伐从今天的FinFET设计转向纳米片，可见纳米片时代的到来是不可避免的。

这条新闻并不全是关于晶体管的，处理器架构同样越发重要。智能手机的大脑可能基于Arm架构，笔记本电脑和它所连接的服务器可能基于x86架构。但一批快速发展的公司，尤其是位于亚洲的公司，正在寻求一种名为RISC-V的开源芯片架构。其独到之处在于允许初创企业设计定制芯片，而无需为专有架构支付昂贵的许可费。

甚至像英伟达这样的大公司也在布局RISC-V，且英特尔预测RISC-V将促进其代工业务。在日益两极分化的技术环境中，中国企业将RISC-V视为独立的可能途径，对它尤为看好。阿里巴巴还表示将为其RISC-V核心提供源代码。

尽管某些类型的光计算正在逐步实现，但俄罗斯和IBM的研究人员在去年10月份描述的这种计算机切换很可能在遥远的将来才出现。依靠激子-激元极化子和玻色-爱因斯坦凝聚体等物质，该设备以每秒约1万亿次的速度切换。切换速度如此之快，以至于在设备再次切换之前，光只能传播大约三分之一毫米。

人工智能的一个大问题是，其数据的传输路径太远。当然，这个距离是以毫米为单位的，但现在这是一段很长的距离了。现在，工程师们想出了很多方法来缩短这一距离。

与其用硅晶体管和上面的金属电容器来制造DRAM，不如用第二个晶体管作为电容器，同时在氧化物半导体的硅片上面构建。两个研究小组表明，这些晶体管可以比普通的DRAM保持更长时间的数据存储，并可以在硅上分层堆叠，从而使处理器和重要数据之间的路径缩短很多。

去年8月，英特尔公布了该公司10年来最大的处理器架构进展，其中包括两种新的x86 CPU核心架构——直接命名为性能核心（P-core）和效率核心（E-core）。这些核心被集成到Alder Lake中，它是一个“性能混合型”处理器系列，包含新的技术，使即将推出的Windows 11操作系统能够更高效地运行CPU。

英特尔高级副总裁兼总经理拉贾·科杜里（Raja Koduri）当时说：“这是成为一名计算机架构师的绝佳时机。”英特尔推出的新架构和SoC“展示了随着从桌面到数据中心的工作负载变得比以往任何时候都更大、更复杂、更多样化，架构将如何满足对更高计算性能的需求。”

美国议员对中国台湾和韩国这两个仅有的能够制造最先进逻辑芯片的地方感到忧虑，他们开始努力推动美国的尖端芯片制造。台积电、三星和英特尔已经开始对芯片厂进行大量投资。当然，中国和韩国也在进行重大国内投资，欧洲和日本也是如此。

位于多伦多创新未来中心的地缘政治未来学家阿比舒尔·普拉卡什（Abishur Prakash）指出，这一切都是全球范围内广泛的经济和技术民族主义的一部分。一些人认为这些“地缘政治的转变是短期的，就像是新冠疫情的副产品，将在某个时间点将会平静下来，”他于5月在《IEEE Spectrum》上表示，“这种观点是错误的。各国现在的发展方向是难以成功的。”

法国初创公司Prophesee和主要成像仪制造商索尼（Sony）生产的一种相机芯片，与常规成像仪不同，该芯片不会在时钟的每一个滴答声中捕捉一帧又一帧的图像。相反，它只记录场景中的变化。这意味着，会有更低的功耗和更快的响应时间。