總編對話 | 英特爾研究院副總裁宋繼強：摩爾定律是一面創(chuàng)新旗幟，仍在繼續(xù)

半導體行業(yè)綜研|Semiconductor industry|

2022-06-28 14:48:15 5

到Intel 18A時，英特爾在制程工藝上能夠回到業(yè)內*地位。

來源：中國電子報

編者按：摩爾定律是由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出的，其核心內容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目大約每18個月便會增加一倍。幾十年來，英特爾也一直是摩爾定律最堅定的捍衛(wèi)者，緊緊追隨著摩爾定律的發(fā)展。但隨著芯片內晶體管密度越來越高，摩爾定律的延續(xù)變得愈發(fā)困難，這也成為了業(yè)內面臨的共性問題。近日，中國電子報總編輯胡春民采訪了英特爾研究院副總裁、英特爾中國研究院院長宋繼強，就此問題展開了深入討論。

摩爾定律仍能以一定節(jié)奏延續(xù)

胡春民：有人說當前摩爾定律已經(jīng)到達了極限。若想延續(xù)摩爾定律，需要更具顛覆性的技術創(chuàng)新和突破，英特爾對延續(xù)摩爾定律有什么建議？

宋繼強：摩爾定律不僅僅是物理定律，也是對于半導體未來技術以及經(jīng)濟發(fā)展的預測。在表述上，是指在一定尺寸內的半導體晶體管密度，以各種各樣的方式實現(xiàn)提升。同時，它還有另一個特點，即半導體的性能達到平均水平后，半導體的價格也會以一個指數(shù)級的方式下降。因此，從整體上看，摩爾定律其實是通過預測半導體指數(shù)級提升的方式，來推動半導體產(chǎn)品的性價比。

摩爾定律發(fā)展歷程（來源：英特爾公司）

由此可以看出，摩爾定律并不是一個技術定律或者物理守則，而是半導體領域專家對產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向的大膽預測，并且把它視為一種信念。當然，光有信念不夠，還要去執(zhí)行、去推動它的發(fā)展，需要通過實際的技術進步和生產(chǎn)工藝的提升來推動摩爾定律相關技術的落地。

幾十年來，英特爾既是摩爾定律的提出者，也是守護者和推動者。在過去的二十年中，摩爾定律已經(jīng)多次被傳停滯，甚至是要終結。但事實上，每次有這樣的困難時，都意味著半導體技術的發(fā)展遇到了巨大的技術挑戰(zhàn)，導致短期內沒有合適的半導體技術來推動摩爾定律按原本的節(jié)奏發(fā)展。但每當大家認為摩爾定律要失效時，也總會出現(xiàn)一些新的技術，并應用到產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，推動摩爾定律繼續(xù)前行。例如，2008年高K（介電常數(shù)）電介質的金屬柵極技術的出現(xiàn)，突破了芯片在32nm工藝制程的卡點。此外，3D FinFET架構的出現(xiàn)，幫助芯片制程成功突破28nm工藝制程。

英特爾晶體管的創(chuàng)新里程碑（來源：英特爾公司）

但是，隨著芯片制程進入到5nm、3nm，很多工藝結構的設計已經(jīng)開始接近于原子層面，對設計的精度、良率都有很高的要求，也使得技術的突破變得更加困難。因此，如今的芯片微縮，將更加依賴光刻機技術以及新的架構設計方法。

首先，在光刻技術方面，需要大大提升光刻機的精度，使其能光刻更細微尺寸的芯片。其次，在芯片尺寸縮小的同時，若想有效提升芯片性能，需要新的架構設計方法。如今，業(yè)內認為全新的GAA（Gate All Around）的架構設計方式，能夠有效提升先進制程芯片的性能。英特爾以GAA為根基，設計出RibbonFET架構。在英特爾芯片制程進入埃米后（例如Intel 20A制程工藝），將會采用RibbonFET架構。

對于半導體行業(yè)而言，摩爾定律如同一面旗幟，若遵守它，就能夠用各種創(chuàng)新來達到相應的技術水平。此外，摩爾定律的發(fā)展也并非憑一己之力便可達成，需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游一起合力推動。如果大家都相信摩爾定律能夠發(fā)展下去，那么它仍然能夠以一定的節(jié)奏延續(xù)。

制程工藝的先進性要綜合評判

胡春民：摩爾定律的延續(xù)通常基于制程工藝的推進。業(yè)內已經(jīng)有代工企業(yè)實現(xiàn)了5nm、4nm的量產(chǎn)并走向更微小的制程。英特爾在制程工藝上和其他廠商有哪些不同？為什么要堅持這種路線？

宋繼強：從90年代后期起，不同廠商對制程工藝節(jié)點的命名方式已不再統(tǒng)一。此前，由于人們可以比較精確地測量出晶體管柵極的長度，企業(yè)往往會用晶體管柵極的長度作為某一代芯片制程的名稱。但是，在芯片微縮的進展放緩后，晶體管柵極長度的縮小不如從前明顯，但人們依舊希望在芯片制程的命名上體現(xiàn)摩爾定律的延續(xù)。因此，在進入21世紀后，各個廠商的命名規(guī)則便出現(xiàn)了不一致的情況，有的廠商依舊采用柵極長度命名，有的則采用其它的特征尺寸來命名，從而強調其可以將制程做得更小的能力。

因此，芯片制程的數(shù)值大小，對于如今的半導體制程工藝而言，已經(jīng)沒有太大的參考意義。在衡量芯片性能方面，其他數(shù)值同樣具有參考意義，例如芯片中晶體管的情況也是衡量芯片性能的重要指標，即晶體管能達到怎樣的密度等。這些技術水平甚至比納米數(shù)值更具有說服力。

可見，若想衡量半導體制程工藝的先進性，需要結合許多方面的指標來綜合評判，而不是僅僅通過幾納米的數(shù)值一概而論。對于英特爾而言，在推進工藝制程方面一直堅持嚴格要求、穩(wěn)步前進，不一味追求速度。例如，英特爾的14nm、14nm+、14nm++、10nm、10nm+等制程工藝，實際上每個加號都代表了一次工藝上的提升，有的是10%的提升，有的是20%的提升。有時候友商會把這種提升直接當成一個新的制程節(jié)點發(fā)布，但英特爾沒有。

英特爾最新制程工藝路線圖（來源：英特爾公司）

英特爾在14nm到10nm的推進過程中遇到了一些困難，相比友商慢了一些。目前英特爾在最先進的制程工藝節(jié)點上，大概比友商慢了一年到一年半左右。所以，英特爾提出了IDM 2.0的新戰(zhàn)略，目標是在4年內推進5個制程工藝節(jié)點。在這個戰(zhàn)略下，當英特爾推進到Intel 20A時，制程工藝大概能夠與業(yè)內*水平齊平，甚至能稍微強一些。到Intel 18A時，英特爾在制程工藝上能夠回到業(yè)內*地位。而這并非空穴來風，是以各種精確的指標進行衡量后得出的。

胡春民：Intel 18A和Intel 20A在數(shù)字上的差別看上去很小，兩者在技術上會有怎樣的優(yōu)化和進步？

宋繼強：二者之間的差距，主要體現(xiàn)在RibbonFET架構性能上的提升，這一架構將會在Intel 20A出現(xiàn)時正式現(xiàn)身，到Intel 18A時會變得更加完善，從而進一步優(yōu)化芯片性能，在供電方式、開關速度控制、功耗等方面均會進行優(yōu)化，并在此后的工藝上持續(xù)提升。

先進工藝芯片的開發(fā)流程，涉及上千個步驟，還需要以非常高的良率去量產(chǎn)芯片，實屬不易。架構設計很難一步到位，需要不斷地優(yōu)化升級。晶體管可以視為一塊塊樂高，每一小塊均可以打造不同的架構產(chǎn)品。有些架構可以打造高性能計算，有些架構在注重性能的同時，也能實現(xiàn)更低功耗。同時，不同的性能需求對晶體管測試的場景也有不同的要求。在搭建的過程中，需要不斷對架構進行測試，從而推動架構的持續(xù)優(yōu)化，實現(xiàn)技術的持續(xù)進步。

新架構是延續(xù)摩爾定律的重要方式

胡春民：如今，部分代工廠商轉向了GAA架構以推動更先進制程的研發(fā)。英特爾在架構創(chuàng)新突破上和其他企業(yè)有哪些不同？

宋繼強：GAA是一種晶體管搭建的結構方式，是用柵極包住兩邊的溝槽鰭片的結構。這是一種通用的架構，但各家對于具體的晶體管結構設計是各有所異的。

英特爾全新RibbonFET晶體管（來源：英特爾公司）

英特爾在GAA晶體管上實現(xiàn)了創(chuàng)新架構RibbonFET，RibbonFET架構可以讓一個柵極同時包住多個用于電流導通的構槽。同時，溝槽鰭的設計可以根據(jù)不同需求，去拉寬或者收窄，從而在整個設計上變得相對靈活，多片的鰭可以被一個柵極完全包住，在拉高尺寸的同時不占用過多的平面尺寸。鰭在加寬的同時，也能保證電流的通過量足夠大，且不會增加整體結構的尺寸，這也是英特爾在架構設計上的獨特之處。

如今整個行業(yè)都很看好GAA機構，紛紛開始將其用在晶體管的結構設計中，但能否實現(xiàn)芯片的量產(chǎn)最為關鍵，如今看來也很有難度。

先進封裝將推動摩爾定律延續(xù)

胡春民：封裝曾被視為集成電路領域技術含量相對比較低的環(huán)節(jié)，如今業(yè)內提出了先進封裝概念，包括3D堆疊等技術，并將其視為推進摩爾定律發(fā)展的關鍵。先進封裝技術如何推進摩爾定律的發(fā)展？英特爾在這方面有哪些突破？

宋繼強：先進封裝將會成為延續(xù)摩爾定律的一個重要技術方向。此前，人們通常把目光焦距在芯片里的晶體管設計，致力于如何把單獨的die（獨立的功能芯片）做好，包括如何優(yōu)化結構、改善供電等。在封裝方面，傳統(tǒng)的封裝在die之外的帶寬、功耗以及連線的間距差別很大，導致在同一個芯片系統(tǒng)里的die之間無法集成，也難以提升芯片的性能。

英特爾封裝技術的創(chuàng)新里程碑（來源：英特爾公司）

因此，僅通過傳統(tǒng)封裝的方式，很難有效提升芯片性能，但這一系列問題在先進封裝中得到了有效解決。例如，采用先進的混合鍵合技術，能夠把在封裝中的間距尺寸降到10微米以下。因此，采用先進封裝技術，芯片中的特征尺寸差別能夠縮小很多，相互間連接的電阻、連線長度的功耗也會隨之下降，可以達到聯(lián)合優(yōu)化的效果，從而有效提升芯片性能。

在先進封裝中，除平面封裝外，還可采用3D封裝的方法提升芯片性能。3D封裝把計算單元和計算單元封在一起，使芯片密度大幅提升。

3D封裝技術的出現(xiàn)，意味著在芯片的平面方向將不再占用更多尺寸空間，而是通過豎直堆疊的方式向上延伸，雖然效果會更好，但技術難度也會隨之提高。首先，連線之間傳輸?shù)男盘査俣葧兛欤黄浯危\算器的功耗也會變大。因此，在3D封裝領域中，功能密度的提升、功耗的降低等，是未來需要優(yōu)化的方向。

Foveros是英特爾推出的3D封裝技術，包括已經(jīng)推出的Foveros omni和Foveros direct技術。這些技術均是在豎直方向上，對計算單元進行有效連接，能夠順暢地供電，也不需要在芯片以及die上打孔，從而節(jié)省寶貴的平面資源。

胡春民：在先進封裝方面，大企業(yè)針對異構集成、芯粒等技術，開展了哪些合作？

宋繼強：先進封裝在2D集成時，各個芯片或芯粒之間可以用主流的方式來進行互聯(lián)，但在2.5D以及3D的異構集成中，用主流的方式連接會變得相對困難，需要統(tǒng)一的互聯(lián)標準。因此，英特爾發(fā)起了UCIe（通用芯粒互連技術）聯(lián)盟，意在制定統(tǒng)一、公共的互聯(lián)標準。UCIe聯(lián)盟包含了芯片設計廠商、封測廠商等半導體產(chǎn)業(yè)鏈中各個環(huán)節(jié)的廠商，使得各產(chǎn)業(yè)鏈之間形成互聯(lián)互通的關系，有利于標準的制定。

UCIe聯(lián)盟的成立，不僅使英特爾能夠與其他廠商共享技術和接口，還能夠有效推動產(chǎn)業(yè)鏈上下游伙伴，一起形成更優(yōu)的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)技術，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

胡春民：在異構集成技術領域，中國企業(yè)如何更好地參與？

宋繼強：如今中國企業(yè)都在積極參與異構集成技術的發(fā)展。UCIe聯(lián)盟已經(jīng)有幾家中國的企業(yè)。異構集成也是中國半導體產(chǎn)業(yè)著重研究的技術領域之一，產(chǎn)學研各個方面都十分重視。例如，中國科學院院士劉明去年就提到了混合鍵合技術；清華大學教授、國際歐亞科學院院士魏少軍也在今年3月份的一個大會上特別提到了異構集成，并表示以三維混合鍵合技術為代表的微納系統(tǒng)集成，將是未來半導體延續(xù)摩爾定律的主要手段。由于傳統(tǒng)封裝領域和先進封裝領域之間還有很大的技術鴻溝，中國若想更好地發(fā)展異構集成技術，需要結合學界和業(yè)界兩方面的能力來共同推動發(fā)展。

異構計算使芯片設計更加靈活

胡春民：異構計算對摩爾定律延續(xù)能起到怎樣的作用？

宋繼強：如今人們更加關注異構計算技術，是由于異構計算能夠在已有的芯片制程基礎上，不通過縮小芯片制程的方式，只通過計算架構的設計創(chuàng)新優(yōu)化芯片性能。在未來的芯片設計中，將既有傳統(tǒng)的標量計算架構，也會有矢量架構，甚至還會有矩陣運算等架構。將這些架構整合后，能更有效地利用底層芯片資源，發(fā)揮更高效的計算能力，從而有效提升芯片性能。

英特爾全新x86內核架構：能效核、性能核（來源：英特爾公司）

隨著數(shù)字化轉型的加速，各行各業(yè)對算力的需求越來越*，只用常規(guī)的芯片架構來處理這些數(shù)據(jù)是遠遠不夠的。采用多種架構組合的方式，能夠根據(jù)不同的功能來匹配適合的架構進行數(shù)據(jù)處理，使工作變得更加高效。英特爾CPU就采用了異構計算技術，芯片內既含有能效核E-core（Efficient Core），也含有性能核P-core（Performance Core），兼顧了芯片中的能效和性能，在提升芯片性能的同時，還能根據(jù)客戶需求進行靈活的調整。

寬禁帶半導體暫時無法替代硅基半導體

胡春民：近期寬禁帶半導體技術被熱炒，一些碳基功率器件開始在汽車上應用。碳基半導體未來是對硅基半導體的替代嗎？

宋繼強：相比較于傳統(tǒng)的硅基半導體而言，寬禁帶半導體在一些功率器件中的應用較有優(yōu)勢，但并不意味著它能替代硅基半導體，因為寬禁帶半導體的應用領域還十分有限，遠不及硅基半導體。例如，寬禁帶半導體并不適合用來做計算部件，無法在CPU領域應用。寬禁帶半導體是另一種技術方向，并不是硅材料的替代技術。

四大超級技術力量推動數(shù)字化進程

胡春民：英特爾CEO帕特·基辛格說過，當今時代的四大超級技術力量是無處不在的計算、從云到邊緣的基礎設施、無處不在的連接和人工智能。這四大技術對未來萬物互聯(lián)以及數(shù)字化發(fā)展都有很大的幫助。對此英特爾都有哪些布局？

宋繼強：這四大技術力量被英特爾視為數(shù)字化轉型的四個超級力量，也是英特爾重點布局的技術領域。無處不在的計算，意味著未來的萬物互聯(lián)技術將變得更加智能，使未來的計算不再僅限于手機、電腦等設備的連接，而是能將更多設備進行連接。這也意味著未來的常見設備，無論是植入式還是連接式，均需要加上計算能力。例如，會議室的桌子也能具備觸摸、交互、錄音等能力；墻壁甚至可以自動變成投影或者可交互的場景。

無處不在的計算力量可能只存在一個獨立的設備中，也可能存在于多個連接的設備中，但對于通信技術水平的需求非常高。在通信的過程中，設備需要從其他設備中獲取數(shù)據(jù)，或者獲得一些額外的計算資源。因此對于通信設備而言，需要*的連接，既需要有前端、后端一站式的連接——比如通過5G、Wi-Fi提供低延時、高通量的連接，也需要一些有線的連接，比如運營商的接入網(wǎng)與骨干網(wǎng)之間的連接等。

可見，無處不在的計算力量也需要無處不在的連接。為實現(xiàn)無處不在的連接，英特爾致力于通信技術創(chuàng)新，包括4G、5G甚至6G的網(wǎng)絡標準化定制技術。在運營商、服務商的體系中，英特爾有FlexRan軟件技術作為支持。在硬件技術中，英特爾能夠提供智能網(wǎng)卡、IPU等網(wǎng)絡加速技術的支持。

在從云到邊緣的基礎設施中，除了強大的硬件支持，還需要具備高度互通性的軟件，使硬件發(fā)揮出效力，并做好對硬件資源的協(xié)調和調度。因此，英特爾在軟件層面提供了不同種類的開發(fā)包，提供功能更加完善的軟件堆棧。

在從云到邊緣的基礎設施中，異構計算是關鍵技術。但異構計算單元的調度成為了新的挑戰(zhàn)，如何實現(xiàn)在異構計算單元調度完整的同時，達到降本增效的效果，需要產(chǎn)業(yè)界的協(xié)同探索。因此，英特爾與合作伙伴開啟oneAPI計劃，為異構計算提供統(tǒng)一的編程框架，覆蓋從云到端的邊緣計算，使開發(fā)者們能夠靈活調度計算資源。

如今的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)上升，單憑人力難以處理。因此，人工智能技術成為了四大超級力量之一。在未來的數(shù)據(jù)中，除了數(shù)字化系統(tǒng)本身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)外，還會有物理*折射到數(shù)字化領域的數(shù)據(jù)，包括但不限于人類日常的視覺、語音等數(shù)據(jù)。這些海量數(shù)據(jù)都需要AI算法來進行處理，并將其進行優(yōu)化后與硬件連接。對數(shù)據(jù)進行有效整合，并保持垂直性，才能使人工智能真正發(fā)揮高效率優(yōu)勢并提高生產(chǎn)力。

未來芯片的性能迭代與成本預期仍有據(jù)可依

胡春民：此前，在摩爾定律的發(fā)展過程中，總會出現(xiàn)一些具有特征性的規(guī)律，使得人們能按照此規(guī)律準確地預測出下一代芯片的成本、性能等各項指標。在后摩爾時代，芯片的性能迭代與成本預期，是否仍然延續(xù)同樣的規(guī)律？

宋繼強：規(guī)律會依舊存在，但不會是長期穩(wěn)定的規(guī)律。這是由于此前的技術難點不高，在芯片迭代的過程中，規(guī)律性也相對穩(wěn)定，人們也能夠提前很久預測出芯片技術的發(fā)展情況。但隨著技術難度越來越大，不定性因素增多，人們很難提前很久就預測下一代芯片技術的相關情況，往往在技術臨近推出時，才能得到確切信息。

例如，英特爾的Intel 18A芯片，現(xiàn)在還無法確切地知曉相關技術細節(jié)，需要等2023年Intel 20A即將發(fā)布之時，芯片制程正式進入到埃米之后，才能得知具體情況。Intel 18A芯片的研發(fā)，需要有2000多道工藝流程，在這個過程中會出現(xiàn)哪些變數(shù)，目前還難以定論。因此，如今的規(guī)律性雖然不如以前強，但是依舊存在。

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