未来还有更多问题

《半导体工程》与IBM研究员Lars Liebmann坐下来讨论未来的规模化问题;Adam Brand，应用材料公司晶体管技术董事总经理;高通(Qualcomm)工程副总裁卡里姆·阿拉比(Karim Arabi);GlobalFoundries高级技术架构研究员斯里尼瓦斯·班纳(Srinivas Banna)。

SE:我们开始听到关于八元组模式的讨论。EUV一直存在问题。我们有了新材料，因为电子不能在10nm处穿过现有的材料。你认为未来最大的挑战是什么?

Liebmann:最大的挑战是没有一个最大的挑战。在这些高级节点之前，我们现在回想起“过去的美好时光”，一切都是由维度缩放驱动的。我们有一个主要问题要解决，那就是降低音高，减小特征尺寸，缩短通道长度，缩短电线，增加密度——所有这些都使摩尔定律成为可能。这一切都回到了我们如何使事物变得更小、更密集。这很大程度上是由光刻技术推动的——我们怎样才能得到更好的光刻技术呢?最终，这是由减小波长，增加数值孔径所驱动的。我们与光刻工具供应商紧密合作。这是主要的焦点，其他的一切都有条不紊。我们现在看到的是，如果减小特征尺寸，漏电率就会随着晶体管的增大而增大，布线电阻就会飙升，电容就会增加，性能就会下降。在某种程度上，如果你为了达到一个水平而暴露太多，就不再具有成本效益了。 It’s like squeezing a balloon. You can solve any one problem at a time, but when you do something else pops up.

品牌例如我们正面临着三个主要问题。一个特别糟糕，因为我们没有解决方案。显然，在20nm音高以下进行双模和四模制将非常困难，可能需要将四模制和复杂切割掩模结合起来。另一个问题是如何让设备在非常小的功能尺寸下工作。就像模式一样，也有变通方法。第三个问题是如何对晶体管进行电压缩放。在某种程度上，这是我们可以没有的，即使在权力方面会有很大的妥协。但在这一点上，继续降低电压的能力几乎是没有解决方案的。

班纳:当我们扩展设备时，每个节点一个创新是不够的。我们必须为每个节点安排多个创新。这意味着你必须预先做好研发工作，并从时间和成本的角度了解在特定节点上创新的效果。时间安排是最大的挑战之一。如果你看14nm以外的10nm和7nm，人们会质疑硅是否是合适的材料，因为它的载流子迁移率有限制。新材料也有其自身的挑战。每当我们增加创新，成本就会上升。与此同时，该行业希望降低成本。调度多个创新会增加成本，根据摩尔定律进行扩展会导致空间越来越小。即使是合适的设备材料也会带来可靠性问题。 You have to schedule innovation, you have to drive down the cost, and you have to meet reliability.

而:我们都在谈论摩尔定律，但我们从来没有比今天更快地转向技术。我们在90nm处停顿了更长的时间，然后我们快速移动到65,40,28,14。所以我们过去每两年更新一次技术，然后是18个月，现在是12个月。摩尔定律并不是在拖延。实际上它的速度更快。但问题在于摩尔定律的经济性。我们过去集成得越多，成本就越低，这为芯片制造商创造了巨大的机会，他们可以突破想象的界限，推出更大的cpu、gpu、dsp和所有这些有趣的功能，并以相同的价格甚至更低的价格提供给我们的客户。太棒了。它创造了创新和产品创新的循环。我们仍然有同样的推动力，这就是为什么我们更快地进入新流程。 The problem is the scale of economy is not there. It’s even more expensive. That’s the problem. We can scale it, but it’s not getting cheaper as it used to do.

SE:自1965年以来，我们一直遵循摩尔定律，在图案、工艺和设备创新方面保持着相同的轨迹。我们现在所处的阶段，情况显然正在发生变化。EDA方面会发生什么?

班纳技术规模化正在改变你画画的方式，你描绘你画的东西的方式，以及你从你画的东西中构造设备功能的方式。它们都是相互关联的。这不仅仅是你找到了设备模型，你可以画出来，代工厂可以制造出来。从客户的角度来看，早期参与是完成设计、满足时间安排、满足性能和功率目标的唯一途径。从EDA的角度来看，只要有创新，它就会破坏你的工具的工作方式。例如，你需要考虑双重图案的颜色。这些工具是如何处理颜色以避免颜色冲突的?你允许缝合还是不允许?设计师需要理解一种方法和另一种方法的影响。EDA，以及客户，必须与铸造厂互动，并预先学习。 That’s the one way forward.

Liebmann:每个节点都有几个非常基本的新组件。所有这些组件都对设计有一定的影响，并要求在设计基础设施中进行创新。这是我们忽略的一些节点。很多代我们都在讨论交替相移，这对设计流程有非常重要的影响。工具忽略了这一点，最终交替相移消亡了，至少对我们大多数人来说是这样。但从更大的市场来看，这款游戏从未实现，因为我们没有考虑到所有的设计含义。高流动性材料的前景不会改变设计空间。但其他的一切，finfet，本地互连，不同的线路优化电阻和电容，所有这些都有非常深刻的设计影响。我们需要更早地与EDA社区接触，这样当我们有一个过程解决方案时，我们也有一个可以工作的设计解决方案。

SE:在我们达到1微米之前，我们就一直在谈论摩尔定律的死亡。但是，我们究竟能从心理医生那里得到什么?我们什么时候不再看到足够多的公司有足够多的优势来值得我们继续前进?

而:摩尔定律可以很容易地降低到几纳米，但代价是什么?设计更多的是互连主导，互连甚至比晶体管节点本身更重要。这就是为什么EUV和多重图案如此重要。你必须让互连变得更短。摩尔定律是一个自我实现的预言。这是行业根据一些经验真理为自己设定的目标，然后我们都团结起来实现它——从设备制造商到晶圆厂再到半导体公司。它成为了竞争的基准。这是设计节点技术创新和EDA创新的结合。使用晶圆厂创新更容易实现我们的目标，这就是为什么我们更多地依赖技术节点来获得我们的面积、电力和成本节约。它变得更加困难。 As we scale down in technology nodes, people will start innovating more on the architecture, EDA and circuit size until we get through some of these innovation cycles. Then we can scale down in more efficient ways. One of the reasons technology scaling is not as efficient is because we accelerated. The industry doesn’t even have time to do the proper R&D for the next technology node. Every year we are going to a new technology node. At some point you need to rely on architecture, EDA and circuit innovation to keep this trend going until we catch up on the fab size. But the return on fab and technology node scaling is not as promising right now.

班纳:传统上，摩尔定律会给出信道长度和信道宽度的缩放。但这就是摩尔定律所提供的一切吗?有了创新，摩尔定律可以得到进一步扩展。支持者是这么说的。他们一直在推出90nm、65nm和40nm的创新技术。有了finFET，你可以说这个设备非常强大，你不需要九个轨道。你可以在8个音轨或7.5个音轨中做同样或更好的性能。这意味着设备创新有助于摩尔定律的扩展。展望未来，我们必须从整体上看待这个问题，而不仅仅是局部优化。信道长度缩小了多少或者说设备缩小了多少。 Overall, your circuit is scaling. But is it the silicon scaling or some kind of new device innovation bringing that scaling to fruition? That’s what we have to look at as an industry.

Liebmann:没有对戈登·摩尔的不尊重，摩尔定律的核心是一个非常糟糕的定律。从经济角度来看，每两年以固定成本为客户提供两倍的计算能力是不可持续的。这是一个糟糕的经济平台。事后看来，也许我们作为一个行业应该对此做出反应。我们终于到了必须采取行动的时候了，我们必须确保两倍于晶体管数量的价值得到真正的认可，作为一个行业，我们可以公平地分享增加到整体经济中的价值。像Instagram这样的东西没有在座各位的辛勤工作是不可能实现的。

品牌:引用2X规则是好的，但重要的方面是这项技术需要不断改进。你想要有一些东西可以激励人们回来购买你的新版本的产品。无论这个数字是2倍还是其他数字，好消息是未来几年我们仍有机会。关于我们将如何构建晶体管和进行模式设计，有一个非常明确的7纳米或5纳米节点的路径。这可能是我们在这个行业中拥有的最好的视野。但是晶体管的缩放只会带来一件事，无论是使栅极长度变短还是使器件宽度变小，都是功率降低。如果不降低晶体管的功耗，我们真的无法在产品规模上保持创新。说它还有其他瓶颈是对的，但如果没有晶体管的固有电容降低，很难看到这项技术如何继续改进。

Liebmann: 2X规则将使晶体管密度每两年增加一倍。只是可能不会以固定成本来实现。有些人对成本前景非常悲观。我们还没到那一步。我们将继续看到每功能成本和每个晶体管成本的改善，但这将会放缓。除了摩尔定律，你还必须遵守登纳德定律。你不能只是横向扩展。你需要电压，氧化物和所有这些东西，否则你就会遇到电力问题。

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