Nature重磅文章，英特爾和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員正在研究超級(jí)芯片，新的材料有望取代目前的晶體管，將芯片元件尺寸縮小五分之一，功耗降低90%，為摩爾定律再續(xù)一命。

摩爾定律延續(xù)的希望來(lái)了！

Nature發(fā)布的最新論文顯示，英特爾和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員正在研究超級(jí)芯片，已經(jīng)在“自旋電子學(xué)”領(lǐng)域取得突破進(jìn)展。

目前，摩爾定律為“半導(dǎo)體芯片中可容納的元器件數(shù)目，約18個(gè)月增加一倍”，其中的“元器件”主要為CMOS晶體管，目前主流看法是在5nm節(jié)點(diǎn)后晶體管將逼近物理極限，導(dǎo)致摩爾定律終結(jié)。

研究人員用“自旋電子學(xué)”技術(shù)可以讓現(xiàn)在常見(jiàn)的芯片元件尺寸縮小到五分之一，并降低能耗超過(guò)90%，一旦商業(yè)成功，有望研發(fā)出“超級(jí)芯片”，為摩爾定律“續(xù)命”。

打開(kāi)“超級(jí)芯片”大門(mén)，現(xiàn)有晶體管或被新材料取代

70年前發(fā)明的晶體管技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用在從手機(jī)、電器、汽車(chē)和超級(jí)計(jì)算機(jī)等各個(gè)領(lǐng)域。晶體管在半導(dǎo)體內(nèi)部周?chē)苿?dòng)電子并將它們存儲(chǔ)為二進(jìn)制信息0和1。

自20世紀(jì)80年代初以來(lái)，大多數(shù)電子產(chǎn)品都依賴于CMOS晶體管的使用。然而，CMOS操作的原理涉及由絕緣柵極控制的可開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體電導(dǎo)率，這在很大程度上是不變的，即使晶體管能被縮小到10納米的尺寸。

Nature發(fā)表的英特爾和加州大學(xué)伯克利分校的研究：超出CMOS的可伸縮邏輯技術(shù)，能夠提高馮?諾伊曼架構(gòu)的效率和性能，并在人工智能等新興計(jì)算領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)增長(zhǎng)。

具體而言，研究人員提出一種可伸縮的自旋電子邏輯器件“MESO器件”，它通過(guò)自旋軌道轉(zhuǎn)導(dǎo)和磁電開(kāi)關(guān)來(lái)工作。該裝置采用先進(jìn)的量子材料，特別是相關(guān)氧化物和物質(zhì)拓?fù)錉顟B(tài)，進(jìn)行集體開(kāi)關(guān)和檢測(cè)。

MESO基于由鉍、鐵和氧（BiFeO 3）組成的多鐵材料組成，既有磁性又有鐵電性。這種材料的關(guān)鍵性優(yōu)勢(shì)在于這兩種狀態(tài)是相互聯(lián)系或耦合的，因此改變一種狀態(tài)會(huì)影響另一種狀態(tài)。通過(guò)控制電場(chǎng)的變化與翻轉(zhuǎn)，就可以改變磁場(chǎng)狀態(tài)，這對(duì)MESO的誕生至關(guān)重要。

基于磁電和自旋軌道材料，MESO由原來(lái)CMOS中的二進(jìn)制數(shù)表示方式變成了多鐵材料的磁自旋的高、低態(tài)。

圖1：MESO邏輯轉(zhuǎn)導(dǎo)和設(shè)備操作

鉍鐵氧化物多鐵材料的單晶體結(jié)構(gòu)。鉍原子（藍(lán)色）在立方體的每個(gè)面上與氧原子（黃色）形成立方晶格，鐵原子（灰色）位于中心。稍微偏離中心的鐵與氧相互作用形成電偶極子（P），與原子（M）的磁自旋耦合。電場(chǎng)（E）的翻轉(zhuǎn)也會(huì)造成磁矩翻轉(zhuǎn)。該材料中原子的共同磁自旋對(duì)二進(jìn)制信息0和1進(jìn)行編碼，并實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算。

與CMOS技術(shù)相比，MESO具有更優(yōu)越的轉(zhuǎn)換能量（10到30倍），更低的開(kāi)關(guān)電壓（5倍）和增強(qiáng)的邏輯密度（5倍）。此外，它的非易失性可實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)功耗，這對(duì)現(xiàn)代計(jì)算至關(guān)重要。這表明，自旋電子邏輯技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多代計(jì)算的發(fā)展。

MESO的邏輯運(yùn)算速度比CMOS高五倍，延續(xù)了摩爾定律中對(duì)單位面積計(jì)算的進(jìn)步趨勢(shì)。

在“自旋電子學(xué)”技術(shù)下，MESO有望在未來(lái)取代目前廣泛使用的CMOS晶體管，“超級(jí)芯片”將誕生，可以說(shuō)，MESO有望為摩爾定律“再續(xù)一波”。

未來(lái)十年或?qū)?yīng)用，來(lái)自中國(guó)半導(dǎo)體的壓力也是研發(fā)動(dòng)力

MESO器件的材料最初由加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程和物理學(xué)教授Ramamoorthy Ramesh于2001年發(fā)現(xiàn)，他同時(shí)也是這篇論文的資深作者之一。

Ramamoorthy Ramesh認(rèn)為，未來(lái)，全球計(jì)算市場(chǎng)有兩大趨勢(shì)迫切需要更節(jié)能的計(jì)算機(jī)。一個(gè)是物聯(lián)網(wǎng)，一個(gè)是AI。

物聯(lián)網(wǎng)意味著每個(gè)建筑物、每輛汽車(chē)都將完全配備微電子，萬(wàn)物互聯(lián)。雖然這個(gè)市場(chǎng)的確切規(guī)模正在爭(zhēng)論中，但人們一致認(rèn)為它正在迅速發(fā)展。

人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)雖然處于初期階段，但未來(lái)將在各種技術(shù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。然而，這些應(yīng)用目前受到存儲(chǔ)器的限制以及計(jì)算效率的限制。因此，我們需要更強(qiáng)大的芯片，消耗更低的能量。在這些新興應(yīng)用的推動(dòng)下，微電子市場(chǎng)有可能呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

Ramamoorthy Ramesh還提到，國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)也是研發(fā)下一代半導(dǎo)體技術(shù)的動(dòng)力。目前，中國(guó)已投入數(shù)千億美元用于建設(shè)晶圓廠，這在以前只有美國(guó)公司才能制造它們。兩年來(lái)，世界上最快的計(jì)算機(jī)都是在中國(guó)制造的，所以這對(duì)美國(guó)來(lái)說(shuō)是一個(gè)戰(zhàn)略問(wèn)題。

據(jù)美國(guó)能源部預(yù)計(jì)，隨著計(jì)算機(jī)芯片產(chǎn)業(yè)在未來(lái)幾十年內(nèi)擴(kuò)大到數(shù)萬(wàn)億美元的規(guī)模，計(jì)算機(jī)消耗的能量占比將從目前全美總能耗的3%飆升至20％，幾乎與今天的交通運(yùn)輸總能耗相當(dāng)。

在論文中，研究人員稱(chēng)，他們已將多鐵材料的磁電控制開(kāi)關(guān)所需的電壓從3伏降低到0.5伏，并預(yù)測(cè)未來(lái)應(yīng)該可以降到0.1伏左右：這僅相當(dāng)于目前廣泛使用的CMOS管的五分之一到十分之一。低電壓就意味著低能耗：使用MESO器件表示二進(jìn)制數(shù)所需的總能量?jī)H相當(dāng)于CMOS所需能量的十分之一到三十分之一。

不過(guò)，MESO器件還有很多路要走。Ramamoorthy Ramesh給了個(gè)時(shí)間表：這將需要十年。

CMOS集成電路2024年走到盡頭？大家紛紛為摩爾定律續(xù)命

十年是否太長(zhǎng)？實(shí)際上業(yè)界已經(jīng)非常焦慮了。

有關(guān)摩爾定律即將乃至已經(jīng)終結(jié)的論調(diào)最近幾年來(lái)愈發(fā)“深入人心”，好比英偉達(dá)CEO黃仁勛，在不久前的GTC蘇州直接說(shuō)“摩爾定律已經(jīng)完結(jié)”。

但是，業(yè)界對(duì)于延長(zhǎng)摩爾定律實(shí)際上從來(lái)都沒(méi)有死過(guò)心。

IRDS（International Roadmap for Devices and Systems）是IEEE設(shè)立的一個(gè)組織，從1965年開(kāi)始，每年都會(huì)發(fā)布一份半導(dǎo)體領(lǐng)域技術(shù)路線圖，之前叫做ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductors）路線圖，2016年更名為IRDS，從而全面地反應(yīng)各種系統(tǒng)級(jí)新技術(shù)。

2017年，IRDS發(fā)布的路線圖引發(fā)了軒然大波，因?yàn)樗A(yù)測(cè)傳統(tǒng)CMOS集成電路到2024年——距今僅僅6年后——就將走到盡頭。

從IRDS路線圖中可以看到，從2024年開(kāi)始，雖然半導(dǎo)體工藝還還會(huì)有2.5nm、1.5nm線寬之分，但注意紅框部分，這幾種新工藝的柵極距等指標(biāo)是沒(méi)有變化的，也就是說(shuō)晶體管并不會(huì)縮小，在5nm節(jié)點(diǎn)后就不會(huì)變了。換句話說(shuō)，傳統(tǒng)CMOS電路將在2024年走到盡頭。

但是，CMOS電路在2024年“碰壁”，并不代表半導(dǎo)體技術(shù)就將停止發(fā)展。

IRDS白皮書(shū)中指出了新的發(fā)展方向，包括采用新的半導(dǎo)體材料和制造工藝縮小晶體管特征尺寸（也即所謂的“More Moore”），使用3D堆疊等創(chuàng)新的系統(tǒng)集成技術(shù)（More than Moore），以及Beyond CMOS——使用CMOS以外的新器件提升集成電路性能。

簡(jiǎn)單說(shuō)，Beyond CMOS的主要思路就是制造“新型開(kāi)關(guān)”來(lái)處理信息，這類(lèi)器件的特性包括但不限于：高的功能密度、更高的性能提升、更低的能耗、足夠穩(wěn)定、成本適宜，能夠進(jìn)行大規(guī)模制造。

Beyond CMOS是當(dāng)前學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)之一，目前大力探索中的方案就不下十幾種，而英特爾在這方面自當(dāng)是不遺余力。

英特爾在Beyond CMOS上有多條路（下圖），其中MESO是最近獲得突破的方案。

英特爾認(rèn)為，與現(xiàn)有的CMOS解決方案相比，MESO器件可以將電壓需求降低5倍，特定情況下能將能耗降低10-30倍。

最核心的一點(diǎn)，MESO是在室溫條件下使用量子材料，相比當(dāng)前采用專(zhuān)用芯片（DSA）等架構(gòu)創(chuàng)新方案的前進(jìn)，從CMOS到MESO的路徑如果能得以實(shí)現(xiàn)，將是一個(gè)質(zhì)的飛躍。