台积电：2050年晶体管能做到0.1纳米，氢原子尺度！

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转自：新智元（AI_era）

来源：anandtech、cnet

【导读】台积电研发负责人Phillip Wong近日在硅谷举行的Hot Chips会议上表示，摩尔定律没死，依然有效且状况良好，并表示随着新技术的进步，到2050年晶体管做到0.1纳米，约等于氢原子的大小。

“毋庸置疑，摩尔定律依然有效且状况良好，它没有死掉，没有减速，也没有生病。”

台积电研发负责人Philip Wong(黄汉森)在Hot chips大会上表示，他展示了台积电对芯片技术的前瞻，称到2050年，晶体管将缩小到氢原子尺度，即0.1nm。

黄汉森去年8月开始担任台积电企业研究副总裁，在此之前他是斯坦福大学电机工程学系教授，擅长新形态的存储技术研究，在学术界拥有很高声望。

Philip Wong

黄汉森在Hot Chips大会上演讲的题目是：“下一个半导体工艺节点会给我们带来什么？” ，他还详细介绍了其他芯片技术的发展，比如将内存放在处理器的正上方，他预计这将提高性能。

对摩尔定律非常乐观，台积电提出芯片进展的三大方向

摩尔定律预测，集成电路上可容纳的晶体管数量，约每隔 18 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍（即更多的晶体管使其更快）。

不过，如何以最有经济效益的方法将数十亿个晶体管放在一颗芯片中，成为当前芯片制造遇到的最大挑战，所以近年来有不少人认为摩尔定律逼近了物理极限并开始放缓。

英特尔一直在努力研发先进制程，但从整个行业来看，单个晶体管的价格不再继续下降。这就限制了新的制造工艺只能用于高端、高成本的芯片。过去芯片行业的好日子已经一去不复返了，那时芯片的时钟速度提高，功耗却没有受到任何影响。

因此，芯片制造业出现悲观主义者也就不足为奇。

黄汉森预计，处理器将由不同芯片元件3D堆叠组成，而在当前这些元件通常是分开的。这将意味着芯片获得更小的尺寸和更高的性能。

不过，作为晶圆代工龙头的台积电却非常乐观。黄汉森表示，摩尔定律进展良好，并大胆地预测了到2050年的进展，尽管他没有提供任何详细的计划。

摩尔定律以及芯片进展的其他方面都状况良好

Real World Technologies的分析师David Kanter则更为谨慎。由于台积电现在与英特尔已经是并列，而不是在英特尔之后，台积电不得不承担更多的领导责任，加大研发投入，因此听到该公司如此乐观并不令人意外。但谈到芯片的进步，黄汉森对一些实际问题避而不谈，比如缩小晶体管的速度放缓，以及制造最新一代产品的成本增加。

根本性的改进

“我们期待看到更多不同方向的创新，这将为行业提供持续的利益。”黄汉森说：“这就是我们关心的。”

黄汉森表示，芯片技术的元件正在缩小到极小的尺寸

关于未来的技术路线，Philip Wong 认为像碳纳米管（1.2nm 尺度），2D层状材料等可以将晶体管变得更快，尺寸更小；同时，相变内存（PRAM），旋转力矩转移随机存取内存（STT-RAM）等会直接和处理器封装在一起，缩小体积，加快数据传递速度；此外还有 3D 堆叠封装技术。

具体而言，黄汉森就未来的发展方向提出若干观点：

新技术将使晶体管更快、更小。长期以来一直在考虑的一项技术——碳纳米管，现在正变得切实可行。另一种是被称为2D层状材料的材料，可以通过让电子更容易地流过芯片来提供类似的增强。

一些新的内存技术将直接构建到处理器中，而不是作为单独的芯片连接。这种快速连接将极大地提高性能，因为芯片上的逻辑电路(处理数据的部分)将更快地获得所需的数据，因此不必有太多闲置时间。

3D堆叠技术将意味着，如今孤立的计算机处理器功能可以被夹在多个层中，与高速数据通路相连。

“在这些系统中，多层逻辑和内存以细粒度的方式集成，连接性是关键，”黄汉森说。

分析师Nathan Brookwood表示，尽管黄汉森对碳纳米管等技术非常关注，但不认为台积电本身在现阶段会押注于任何特定的新技术。

新的计算机内存技术将取得进展

不过，黄汉森强调，除了硬件，软件算法也需要迎头赶上。一旦实现了这一点，芯片的进步将提供更好的计算设备。这是至关重要的，黄汉森说：“社会对先进技术的需求是无止境的。”

接下来，新智元带来黄汉森在Hot Chip 2019主旨演讲的完整PPT，附精编解读。

台积电Hot Chips大会演讲精编（附PPT）

摩尔定律讲的是元件密度，这是高性能计算的主要驱动力。

从对数图上看，摩尔定律不但没有死，而且活的很好，晶体管密度还在增加，而且在可预见的未来内还会继续增加，至于时钟速度和运行效率等人们同样关心的新属性，实际上超出了摩尔定律的范围。

进入AI和5G时代，“内存墙”问题日益突出，海量数据的流动和转移的需求越来越高，内存访问决定了计算的能源效率。

深度神经网络需要大量的内存容量，而且内存紧缺的问题将来还会更加突出。芯片上需要更多数量的SRAM，但永远都不够，重要的是什么样的内存。

现有的系统中，大部分都是2D和2.5D，用的是TSV，我们需要再向前迈进一步，进入3D。

而下一步就是Beyond 3D，它实现了逻辑和内存的多层整合，在纳米级尺度上实现了高密度的TSV工艺，即“N3XT级”系统。

下一代内存需要具备高带宽、高容量，而且需要在片上。

研究表明，具备上述条件的内存可以使系统级收益增加近2000倍，当然，以现有技术很难实现。在上层很难构建高性能晶体管，因为制造时需要1000度高温条件，内存层会融化。

要想实现上面说的理想的系统，需要超薄的设备层和较低的制造温度。

近年来，晶体管技术实现了不少进步，出现了2D层材料过度金属设计，1D碳纳米管设计等，这些材料非常轻薄，大大降低了晶体管的沟道宽度，但仍保持高迁移率水平。

实现内存与逻辑平台在3D架构下的整合，让晶体管与制造技术的进步成为一个连续的统一体。

而要实现这一目标，各自为战是不行的。这需要系统工程师和开发人员的密切合作，需要硬件设备制造技术和需求的更紧密的交流，需要学术界与产业界建立更加紧密的联系。

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