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纳米时代尾声变得奇怪

佚名整合编辑：王珂玥发布于：2024-02-04 18:16

据报道，随着3nm工艺的成熟和2nm工艺的发展，台积电正在为下一个逻辑步骤——1nm晶圆厂——奠定基础。

据台湾媒体报道，台积电的目标是在台湾嘉义科技园建造先进的芯片套件，计划生产基于1nm工艺的最先进芯片。这一消息提醒人们，半导体制造的纳米时代正在迅速接近尾声，至少在高端是这样。我们相信，在一段时间内，标准微控制器、电源和模拟电子器件、低复杂性和传统集成电路以及其他此类产品将在更适度的工艺节点上继续存在。

三星正在扩大3nm生产，并计划在2025年推出2nm工艺，而英特尔的下一代20A——代表20埃(约2纳米)工艺技术，预计将于今年晚些时候推出，如果没有延误的话。

但是，当纳米和埃被用来描述工艺技术的进步时，随着晶体管技术的成熟，其含义在过去十年中发生了很大的变化。随着摩尔定律的过时，代际工艺改进的影响越来越小，一些提高性能和密度的新兴技术正在占据优先地位。

从测量到营销

在2011年之前，大多数芯片使用平面晶体管和纳米来描述物理栅极长度，因此可以代表晶体管尺寸。在此期间，FinFET晶体管的发展使纳米作为描述符变得不合适，但这种做法继续下去，描述符在很大程度上成为等效密度的象征。

英特尔首席执行官Pat Gelsinger在2021年重返x86巨头英特尔后不久，就强调了这一点，以此作为重新命名自己的制程技术的理由，以更好地与台积电和三星的命名惯例保持一致。

突然之间，英特尔的10nm工艺变成了英特尔7.7nm工艺变成了英特尔4和英特尔3.虽然这显然是一个营销噱头，旨在转移人们对英特尔在工艺技术上落后的事实的注意力，但Gelsinger也没有错。纳米作为制程技术的度量标准是一种营销工具，用来描述晶体管密度的改进，鉴于这一事实，重新命名是一个明智的举动。

但是，由于纳米只能粗略地描述相对密度，并且没有标准化，因此将一个铸造厂的工艺技术与另一个铸造厂的工艺技术进行比较变得更加复杂。

一个关键因素是，当我们试图缩小finfet以在硅晶片上封装更多的晶体管栅极或在更小的晶片上封装相同数量的晶体管栅极时，为了给用户提供更好的组件，我们已经达到了收益递减的点。由于所涉及的物理问题，在合理的功耗下实现良好的性能越来越困难。

下一代制程节点将使用栅极全能(GAA)晶体管，或者英特尔称之为带状场效应管(RibbonFET)。

你可以把带状FET或GAA晶体管想象成一个普通的FinFET，不是一个源极漏极通道穿过一个鳍状栅极，而是一堆独立的源极漏极通道穿过同一个栅极鳍片。这增加了通道与栅极接触的表面积，减少了电流泄漏，并允许工程师以可行的方式进一步缩小晶体管。这提高了晶体管密度，这对用户来说通常意味着更好的性能，而不会造成灾难性的功率效率。

三星的3nm制程已经采用了这项技术，而英特尔20A和台积电即将推出的2nm制程节点将采用该技术。

唾手可得的果实都没了

芯片封装方式和电路供电方式的改进有助于抵消FinFET的收缩问题以及其他好处。但是，我们目前仍然在高端留下了大量耗电死亡。

例如，Nvidia的H100 GPU接近814mm2的光栅极限。这些大面积芯片的产量可能很低，因为你只能在晶圆上封装这么多芯片，而且有些芯片会以这样或那样的方式出现缺陷。

这就是为什么芯片设计师越来越依赖于先进的封装技术，将多个更小的chiplet集成到一个处理器封装内的一个大CPU或GPU中。AMD的Zen系列和英特尔的GPU Max卡是使用先进封装可能实现的主要例子。

然而，可以说更有趣的发展发生在电力输送方面。英特尔一直对其在电力传输方面的进展直言不讳。简而言之，现代处理器是由纳米级数据和在制造过程中一层一层铺设的电线组成的老鼠窝。通过转向反向供电，铸造厂运营商希望通过简化这种路由来提高效率。

从某种意义上说，工艺设计中所有容易摘到的果子都摘完了，现在芯片制造商必须达到更高的目标，更加努力地工作，以突破极限。从这里开始，事情开始变得奇怪。

到目前为止，先进的封装在很大程度上是同质化的，即由一家供应商设计和实现芯片。随着通用芯片互连快线(UCIe)等技术为异构封装打开了大门，这种情况将开始改变。想象一下，AMD的GPU和英特尔的CPU共用一个插座。这个特定的例子会发生吗?也许不是——从技术上讲，英特尔和AMD已经尝试过了，但没有成功——但是UCIe打开了这类芯片架构的大门，即使它在此过程中会产生一些新的麻烦。

甚至这些芯片的封装基板也在重新检查。去年，英特尔透露，它正在研究一种玻璃基板，这种基板可以支持密度更大、温度更高的芯片阵列，而不会翘曲。尽管听起来很奇怪，但英特尔表示，这项技术只需要短短几年的时间就能实现。

与此同时，其他人正在探索使用硅光子学作为在这些小芯片之间传输数据的手段。你看，使用多个骰子可以让我们构建更大更复杂的加速器，但也带来了数据移动方面的挑战。Lightmatter的Passage、Celestial AI的Photonic Fabric和Ayar Labs的TeraPHY就是人们如何试图通过将光学数据链路直接连接到硅来缓解这些挑战的几个例子。

虽然工艺技术的进步仍然很重要，但封装、电力传输和信号等因素也同样重要，而且随着时间的推移，这些因素会变得更加重要。因此，除非有人偶然发现延续摩尔定律的奇迹般的解决方案，否则在未来十年左右的时间里，芯片制造将会变得非常怪异，或者可能令人高兴。

原文《Things are going to get weird as the nanometer era draws to a close》

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