芯片设计的变化

我们都知道亚10nm技术即将到来。但这真的是下一代半导体的定义吗?

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周边应用程序和技术的进步。这听起来可能违反直觉，但未来的技术，应用程序和软件相结合，以产生前沿性能将不一定仅仅与硅的原始性能相联系。

事实上，关于半导体技术进步如何影响其应用的设备开发，有大量的指标。例如，如果一个晶圆的成本是50万美元，对10纳米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。还有性能。这必须在电力预算之内。现在，几乎所有产品都面临着电力问题——无论是从能源账单和数据中心的冷却成本到触摸手机的温度，还是从物联网的能源收集预算。”

变革之风
几乎所有人都同意，摩尔定律正在变慢，越来越难以遵循。它是否会结束是一个持续了几十年的争论。但毫无疑问，它正在引发一些翻天覆地的变化。

“该行业正在经历一些巨大的变化，”at的首席技术官吉姆·阿拉里斯(Jim Aralis)说Microsemi．“我们正在以一种相对前所未有的方式，在做事的地点和做事的方式上经历一场变化。由于工艺的能力和相关成本，行业设计和使用电路的传统方式正在发生变化。”

ARM的耶里克对此表示赞同。他说:“随着摩尔定律的放缓，更激进的改变变得可行。”“在芯片层面，我们看到越来越多地使用异构，类似于电路层面，以促进产品的扩展。”

内存也突然变得更加重要了，无论是就性能最好的内存类型而言，还是就更快地从内存中存取数据的数据路径体系结构而言。Rambus进军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，以至于去年该公司开始制造硬件，而不仅仅是销售硬件的IP。

混合内存立方体和高带宽内存等新架构为加快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、密度更高的替代品，比如一次性可编程存储器，其中单个比特的设置由保险丝锁定。

“随着物联网的发展，特别是在工业和新的消费应用领域，密度正成为一个关键问题。Kilopass．“有很多应用程序都是代码密集型的。为了片上计算，你必须在内存中放入大量代码。物联网不再是愚蠢的设备。有很多芯片上的实时计算。但问题不在于计算速度。这是需要存储的数据量，为此你需要更高的密度。”

Hsu表示，云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大的内存密度。“与过去相比，现在有了更多的维度。你过去只需要缩小核心应用处理器或MCU。这已经不管用了。”

除了硬件
这些变化也不局限于硬件。它们正在整个半导体生态系统中传播。传统的方法是让产品更小、更快、更密集(更便宜)，这在许多行业都适用。在不久的将来，如果没有IoE的出现，这可能仍然是一种有效的方法。但是在这个美丽的新世界里，新的范式一直在出现。特征不断缩小的循环不再适用于所有情况。

在材料、光刻和制造方面将继续取得进展finFETs以及单纳米几何结构。最重要的是，低功耗、低成本和高密度的常用指标仍然很重要。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方程式。阿拉里斯说:“芯片不再是创新的领域。

ChaoLogix业务发展副总裁乔德里•亚纳玛达拉(Chowdary Yanamadala)对此表示赞同。“虽然半导体结构方面的所有创新在未来几年仍将非常重要，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，大多数创新将来自系统、应用程序和软件层面，这与物联网尤其相关，在物联网领域，功能有限、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相结合。

对于边缘设备，主要任务可能仅限于识别和一些简单的指令。智能袜子或牙刷有多复杂，还能保持经济可行性?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、纳米管和单纳米栅拓扑将会找到归宿。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。

如今，从零开始设计一款尖端芯片的成本非常高，这已经不是什么秘密了，这也是第三方IP市场出现爆炸式增长的原因。Aralis说:“在高密度脂蛋白水平上，甚至在晶体管水平上，一个7nm的设计将花费近5亿美元。”“这意味着越来越多的芯片设计将出现在系统层面。”

在10nm以下水平上制造的不同芯片的数量将越来越多地受到需要减小特征尺寸的应用的限制。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。这意味着更多的可编程解决方案，具有2.5D和扇出等先进封装的新架构，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，有一系列的解决方案进入市场迈威尔公司该公司的MoChi或模块化芯片架构台积电在人们对这种方法的兴趣开始蓬勃发展之前，英特尔的集成扇出晶圆(InFo)实际上已经存在了好几年。

Marvell董事长兼首席执行官Sehat Sutardja表示，推动力是更简单的选择、显著加快的上市时间和更强的一致性。在台积电的案例中，驱动程序是类似的，但芯片制造商在由晶圆代工厂打包之前还有更多的工作要做。

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成部分。它将决定可以做什么，成本是多少，以及最终哪个代工将成为设计循环的一部分。随着代工流程的不断分化，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(以及能够跟上其流程变化的IP供应商的数量)将会减少。这也导致人们猜测，一些晶圆代工厂，特别是专业晶圆代工厂，将在未来提供一些自己的IP

“生成关键IP的成本非常高。甚至仅仅是移动它都很昂贵，”阿拉里斯指出。因此，流程选择是根据IP的成本和可用性来进行的。

其中一个例子就是100 GHz ADC。目前这个电路实际上只有两个进程可用，所以唯一的选择是去代工厂获取IP。有趣的是，与代工的关系是次要的。如果已经建立了关系，那就更好了。但这是芯片设计和制造的一个全新范式，也是规模经济如何改变芯片格局的一个主要例子。

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、软件包或复杂的soc中。或者供应商将构建可以在各种类型的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，但在技术上突破极限也同样重要。出于安全考虑，这一点越来越重要。虽然在许多情况下可能没有必要部署前沿技术，但总有一些情况是需要的，例如金融、政府、医药、军事、交通、空间、电信和其他领域。简单地说，如果你不是领头狗，观点永远不会改变，你无法看到即将发生的事情。

虽然半导体发展中有几个领域正在不断创新，但其中更令人兴奋的是材料。石墨烯已经在纳米技术领域占据了大部分的思想份额，而III-V材料继续主导着高级节点的讨论，因为电子难以通过越来越窄的电线。

石墨烯是一种单原子厚的碳片，具有非常理想的电学性能、灵活性和强度。是迄今为止测试过的最坚固的材料，导电性更强，电阻率比最纯的银低35%左右。首先，它是热和电的有效导体，并表现出两极效应。

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，以石墨烯为例，这种对称结构实际上会导致原子以一种相互抵消的方式分散电子，这是很难控制的。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。石墨烯FET的例子。资料来源:马来西亚理工大学。

石墨烯非常薄且坚固(这是它散热能力强的主要原因)。假设厚度为3.35埃，在同样厚度的情况下，它的强度大约是钢的100倍，速度也快100倍。它还展示了材料中电荷的弹道输运和大量子振荡的特性。

半导体设备和一般电子设备小型化的最大挑战之一是，你的设备越小或越快，冷却它的挑战就越大。这是石墨烯的闪亮之星之一。它具有非常高的导热性，因此它能够快速散热，从而使运行电路更冷。

美国能源部斯坦福线性加速器中心(SLAC)研究了石墨烯与常见类型的半导体聚合物结合时，材料的各种性能会发生什么变化。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输电荷。

半导体聚合物的标准理论是，聚合物薄膜越薄，相对于电子流动的速度越快，效率越高。然而，这组实验表明，约50纳米厚的聚合物薄膜沉积在石墨烯上时，导电性能比单独约10纳米厚的聚合物薄膜好50倍左右。如果它能以足够低的成本大规模生产，并且持续不断，这将改变石墨烯半导体的游戏规则。

它对可穿戴电子产品也有深远的影响，柔性材料将成为各种各样设备的巨大推动者。其他可能的候选应用是光伏、医疗传感器和触摸屏。

对于一般的半导体设计，石墨烯可以卷成圆柱体，基本上成为“半导体碳纳米管”。在室温下，迁移率超过100,000 cm2/Vs(可能为200,000 cm2/Vs)。相比之下，典型的半导体大约为1,400 cm2/Vs，一些最新技术为5,000至6,000 cm2/Vs。这意味着极高的切换速度。

这对集成电路的影响是令人难以置信的。这些器件不仅能极快地开启和关闭，而且凭借石墨烯增强的热特性，几代石墨烯基芯片可以超快、超小、热问题更少。它可以让那些100兆赫的dac看起来像静止不动一样。

但是对于很多应用来说，它的导电性还是有点太高了。而且，如前所述，制造带隙仍处于实验阶段。从生产的角度来看，不像它们的硅兄弟，由大的硅晶体雕刻而成，这不能扩展到石墨烯纳米带，只有2纳米宽。而且它们价格昂贵，生产起来相当复杂。最后，虽然石墨烯纳米管或石墨烯带的切换在理论上是可能的，但这是一个非常脆弱的命题，因为这些设备比人类头发小10万倍。

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。我们看到这一哲学的一些裂痕。

即使是该领域的专家也不总是确定该在哪里下注。在设计和经济方面都有很大的变化，目前正在进行大量的实验，以找出适合各种应用的最具成本效益和最佳解决方案。并购以及与这些交易相关的大量分拆就是证据。

形势将如何变化有一些水晶球的元素。一些代工厂会成为知识产权中心吗?10纳米以下的几何结构在经济上可行吗?芯片是否会变得愚蠢和通用，而应用程序、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。