半导体工艺节点成了数字游戏,是时候换个度量标准了?

来源:大比特商务网
似乎从英特尔宣布22nm工艺开始,芯片技术的进步被芯片制造商玩成了数字游戏,14nm,10nm,直至5nm,3nm……逐渐的工艺节点不再代表器件中的具体尺寸,更像是芯片厂商营销的一个口号,每一代制程,每一次纳米数字的更新,像是在告诉投资者和消费者“我们升级啦!”

似乎从英特尔宣布22nm工艺开始,芯片技术的进步被芯片制造商玩成了数字游戏,14nm,10nm,直至5nm,3nm……逐渐的工艺节点不再代表器件中的具体尺寸,更像是芯片厂商营销的一个口号,每一代制程,每一次纳米数字的更新,像是在告诉投资者和消费者“我们升级啦!”

比如在服务器芯片市场,半导体工艺的纳米数对产品带来的声誉是无法估量的:AMD通过7nm CPU打败了英特尔,接下来还将推出5nm和3nm工艺的新产品,这对AMD在数据中心市场的重新崛起起到了重要作用。相比之下,英特尔最先进的产品还是基于10nm工艺的。

但是这种基于纳米数字的产品评价标准值得怀疑。与用于对HPC系统性能进行排名的Linpack基准一样,越来越多的声音要求采用其他方法来评估和表征芯片。

在芯片设计中,nm是指晶体管栅极的宽度。栅极越小,可以封装到给定空间中的处理能力就越大。如今越来越多芯片技术专家认为,随着工艺发展,越来越小的线宽逼近极限,将无法衡量芯片的发展。来自麻省理工学院、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、台积电等机构的科学家上个月在IEEE撰文提出了一种旨在更全面地衡量标准的新的“密度度量”方法。该文章中表示,纳米度量标准在“今天几乎已经过时了”,因为不能同时考虑逻辑,存储和封装/集成技术。现在业界需要的是能囊括更广泛的系统级性能指标,将“器件技术的进步以全面的方式与系统级的优势结合起来,同时承认各个组件之间的协同作用。”

上图的数据表明,逻辑,内存和连接性之间的全面平衡增长已成为计算系统优化的隐含指南。

上图的数据表明,逻辑,内存和连接性之间的全面平衡增长已成为计算系统优化的隐含指南。

(b)图中台式机GPU的历史带宽与内存容量的趋势也表明,内存容量和带宽之间的平衡增长与逻辑和内存之间的物理连接数(总线宽度)成正比。随着时钟频率由于功率限制而饱和,带宽的提高可能越来越依赖于逻辑和存储器之间的连接密度。取决于系统设计和成本性能的折衷,逻辑和主存储器DC之间的物理连接密度会随数量级的变化而变化:从印刷电路板到中介层,再到芯片-晶圆和晶圆-晶圆直接键合,最后在将来集成到单片3D集成芯片堆栈中的超密集层间通孔。

自1960年代以来,半导体业界就一直按晶体管栅极宽度(工艺节点名称)来对芯片进行分类。上述科学家在文章中指出,在过去十多年中,在竞争性营销的推动下,纳米度量以多种方式被曲解变形。一方面,节点名称已经与实际最小栅极宽度解耦,并且可能比实际数字小几倍。另一方面,不同的半导体制造商使用不同的节点标签,从而造成了进一步的混乱。

例如下面是英特尔、台积电和格芯三家对工艺不同的定义细节:

例如下面是英特尔、台积电和格芯三家对工艺不同的定义细节:

此外,科学家们还指出,5nm芯片将投入生产,下一节点将是3nm,因此“我们将很快用尽纳米来命名下一代技术”。3nm的大小大约为12个原子,人们也怀疑半导体工艺的演进已经逼近物理极限。他们断言:“然而,半导体行业将继续取得进步已成定局,因为仍有许多方法可以使半导体技术超越二维微型化,而且社会对功能更强大的电子系统的需求还在不断提高,永不满足。”

科学家提议,以“LMC密度指标”代替纳米节点。它是一个由三部分组成的数字,反应了器件密度与“更先进的计算系统的益处-半导体技术进步的主要推动力”之间的关系。这三个数字是:

DL:逻辑晶体管的密度,单位为#/mm2

DM:主存储器的位密度(当前片外DRAM密度以#/ mm2为单位)

DC:主内存和逻辑之间的连接密度(以#/ mm2为单位)

根据设计细节,当今的领先技术可以用[38M,383M,12K]来表征。

科学家们表示,系统指标的这三个组成部分有助于体现计算系统的整体速度和能效。这种平衡在计算机体系结构中是隐含的,并允许以最佳方式改善整体系统性能。他们还指出,历史数据显示逻辑,内存和连接性呈相关增长,表面未来数十年“DL,DM和DC的均衡增长”。“LMC密度指标”特别关注逻辑,内存和连接性的集成。 “除了符合历史趋势和我们对计算系统的直觉之外,LMC密度度量标准还适用于并且可扩展到未来的逻辑,存储器和封装/集成技术。”

技术提供商和研究人员可以解决LMC指标的一个或多个组成部分。提供最终产品(例如特定领域的硬件加速器)的公司可以选择提及所有三个组件来描述特定的逻辑,内存和封装技术,这些特定的逻辑,内存和封装技术被封进了最新的产品模型。这个三管齐下的指标以全面的方式直接将设备技术的进步与系统级的利益联系起来,同时承认各个组件之间的协同作用。例如,采用具有堆叠多个逻辑和存储器管芯的3-D封装的半导体技术,其DL和DM会相应增加,因此与采用相同逻辑和存储器技术但不具有3D管芯堆叠的另一种可能的产品相比,展示了进步。

不过,芯片供应商可能会继续使用他们喜欢的标签来营销其技术。科学家们表示,LMC密度指标可以通过“作为衡量半导体制造商之间技术进步的通用语言”来促进更加“清晰的交流”。最重要的是,LMC密度度量标准使半导体行业摆脱了接近枯竭的纳米数来描述半导体技术进步的麻烦,尽管“纳米”在很长一段时间内对行业来说仍然非常重要。

 

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