臺積電研發副總裁黃漢森:2050年電晶體將縮小到氫原子尺度,即0.1nm

臺積電研發負責人Phillip Wong近日在矽谷舉行的Hot Chips會議上表示，摩爾定律沒死，依然有效且狀況良好，並表示隨著新技術的進步，到2050年電晶體做到0.1納米，約等於氫原子的大小。

「毋庸置疑，摩爾定律依然有效且狀況良好，它沒有死掉，沒有減速，也沒有生病。」

臺積電研發負責人Philip Wong(黃漢森)在Hot chips大會上表示，他展示了臺積電對晶片技術的前瞻，稱到2050年，電晶體將縮小到氫原子尺度，即0.1nm。

黃漢森去年8月開始擔任臺積電企業研究副總裁，在此之前他是史丹福大學電機工程學系教授，擅長新形態的存儲技術研究，在學術界擁有很高聲望。  

Philip Wong

黃漢森在Hot Chips大會上演講的題目是：「下一個半導體工藝節點會給我們帶來什麼？」 ，他還詳細介紹了其他晶片技術的發展，比如將內存放在處理器的正上方，他預計這將提高性能。    

對摩爾定律非常樂觀，臺積電提出晶片進展的三大方向     摩爾定律預測，集成電路上可容納的電晶體數量，約每隔 18 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍（即更多的電晶體使其更快）。

不過，如何以最有經濟效益的方法將數十億個電晶體放在一顆晶片中，成為當前晶片製造遇到的最大挑戰，所以近年來有不少人認為摩爾定律逼近了物理極限並開始放緩。

英特爾一直在努力研發先進位程，但從整個行業來看，單個電晶體的價格不再繼續下降。這就限制了新的製造工藝只能用於高端、高成本的晶片。過去晶片行業的好日子已經一去不復返了，那時晶片的時鐘速度提高，功耗卻沒有受到任何影響。

因此，晶片製造業出現悲觀主義者也就不足為奇。    

黃漢森預計，處理器將由不同晶片元件3D堆疊組成，而在當前這些元件通常是分開的。這將意味著晶片獲得更小的尺寸和更高的性能。

不過，作為晶圓代工龍頭的臺積電卻非常樂觀。黃漢森表示，摩爾定律進展良好，並大膽地預測了到2050年的進展，儘管他沒有提供任何詳細的計劃。    

摩爾定律以及晶片進展的其他方面都狀況良好   Real World Technologies的分析師David Kanter則更為謹慎。由於臺積電現在與英特爾已經是並列，而不是在英特爾之後，臺積電不得不承擔更多的領導責任，加大研發投入，因此聽到該公司如此樂觀並不令人意外。但談到晶片的進步，黃漢森對一些實際問題避而不談，比如縮小電晶體的速度放緩，以及製造最新一代產品的成本增加。

根本性的改進    「我們期待看到更多不同方向的創新，這將為行業提供持續的利益。」黃漢森說：「這就是我們關心的。」

黃漢森表示，晶片技術的元件正在縮小到極小的尺寸

關於未來的技術路線，Philip Wong 認為像碳納米管（1.2nm 尺度），2D層狀材料等可以將電晶體變得更快，尺寸更小；同時，相變內存（PRAM），旋轉力矩轉移隨機存取內存（STT-RAM）等會直接和處理器封裝在一起，縮小體積，加快數據傳遞速度；此外還有 3D 堆疊封裝技術。

具體而言，黃漢森就未來的發展方向提出若干觀點：

新技術將使電晶體更快、更小。長期以來一直在考慮的一項技術——碳納米管，現在正變得切實可行。另一種是被稱為2D層狀材料的材料，可以通過讓電子更容易地流過晶片來提供類似的增強。

一些新的內存技術將直接構建到處理器中，而不是作為單獨的晶片連接。這種快速連接將極大地提高性能，因為晶片上的邏輯電路(處理數據的部分)將更快地獲得所需的數據，因此不必有太多閒置時間。

3D堆疊技術將意味著，如今孤立的計算機處理器功能可以被夾在多個層中，與高速數據通路相連。

「在這些系統中，多層邏輯和內存以細粒度的方式集成，連接性是關鍵，」黃漢森說。

分析師Nathan Brookwood表示，儘管黃漢森對碳納米管等技術非常關注，但不認為臺積電本身在現階段會押注於任何特定的新技術。

新的計算機內存技術將取得進展

不過，黃漢森強調，除了硬體，軟體算法也需要迎頭趕上。一旦實現了這一點，晶片的進步將提供更好的計算設備。這是至關重要的，黃漢森說：「社會對先進技術的需求是無止境的。」     接下來，新智元帶來黃漢森在Hot Chip 2019主旨演講的完整PPT，附精編解讀。     臺積電Hot Chips大會演講精編（附PPT）

    摩爾定律講的是元件密度，這是高性能計算的主要驅動力。    

      從對數圖上看，摩爾定律不但沒有死，而且活的很好，電晶體密度還在增加，而且在可預見的未來內還會繼續增加，至於時鐘速度和運行效率等人們同樣關心的新屬性，實際上超出了摩爾定律的範圍。  

 進入AI和5G時代，「內存牆」問題日益突出，海量數據的流動和轉移的需求越來越高，內存訪問決定了計算的能源效率。    

  深度神經網絡需要大量的內存容量，而且內存緊缺的問題將來還會更加突出。晶片上需要更多數量的SRAM，但永遠都不夠，重要的是什麼樣的內存。   

  現有的系統中，大部分都是2D和2.5D，用的是TSV，我們需要再向前邁進一步，進入3D。    

      而下一步就是Beyond 3D，它實現了邏輯和內存的多層整合，在納米級尺度上實現了高密度的TSV工藝，即「N3XT級」系統。    

   下一代內存需要具備高帶寬、高容量，而且需要在片上。   

研究表明，具備上述條件的內存可以使系統級收益增加近2000倍，當然，以現有技術很難實現。在上層很難構建高性能電晶體，因為製造時需要1000度高溫條件，內存層會融化。    

要想實現上面說的理想的系統，需要超薄的設備層和較低的製造溫度。     近年來，電晶體技術實現了不少進步，出現了2D層材料過度金屬設計，1D碳納米管設計等，這些材料非常輕薄，大大降低了電晶體的溝道寬度，但仍保持高遷移率水平。    

    實現內存與邏輯平臺在3D架構下的整合，讓電晶體與製造技術的進步成為一個連續的統一體。    

  而要實現這一目標，各自為戰是不行的。這需要系統工程師和開發人員的密切合作，需要硬體設備製造技術和需求的更緊密的交流，需要學術界與產業界建立更加緊密的聯繫。   

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