芯片扩展中的摩尔定律

学术   2024-10-30 15:30   北京  

想要扩展计算以满足人工智能的需求,需要采取极端措施。

五十年前,动态随机存取存储器(DRAM)的发明者、IEEE荣誉勋章获得者罗伯特·登纳德(Robert Dennard)为半导体行业开创了一条不断提高晶体管密度和芯片性能的道路:登纳德缩放(Dennard scaling)。它帮助证实了戈登·摩尔关于器件尺寸每18到24个月缩小一半的假设。几十年来,它促使工程师们不断挑战半导体器件的物理极限。

不过,在21世纪,登纳德缩放开始失效,为了跟上摩尔定律的步伐,芯片制造商已经转向了极紫外(EUV)光刻系统等独特的解决方案。2017年,在参观位于纽约马耳他的格芯公司(GlobalFoundries)安装其首个极紫外系统时,《科技纵览》资深编辑塞缪尔·K.摩尔(Samuel K. Moore)向一位专家询问了晶圆厂实现更小器件尺寸需要满足的条件。“我们可能需要在停车场下面建一个粒子加速器。”那人开玩笑说。这个想法非常不切实际,但摩尔一直未能忘却。

最近,日本东京的科技记者约翰·博伊德(John Boyd)发表了一篇文章,报告了将线性加速器用作极紫外光源的相关内容。看到这篇文章的摩尔感到很激动。博伊德参观了日本筑波的高能加速器研究机构(KEK),在此基础上,他撰写了《粒子加速器是摩尔定律的未来吗?》(第30页)。正如他所报道的那样,高能加速器研究机构的系统通过“将电子加速到相对论速度,然后以一种特殊的方式使其运动偏离”来产生光。

到目前为止,高能加速器研究机构的研究人员已经成功地发射了一个17兆电子伏特的电子束,产生了20微米的猝发红外光,虽然距离所需的13.5纳米还有一段距离,但高能加速器研究机构团队对其技术前景持乐观态度。

虽然该行业生产较小器件的经济能力已经减弱,但摩尔认为,要实现缩放仍然有一些妙招。除了高能加速器研究机构正在研究的这种更亮的光源之外,未来的互补场效应晶体管(CFET)将在一个晶体管的空间内构件两个晶体管。

摩尔说,在短期内,要不断增加逻辑和内存,堆叠芯片是解决这个问题最有效的方法。

“CPU或GPU中总会有一些功能无法像核心处理器逻辑那样缩放。越来越明显的是,试图继续使用核心逻辑的尖端芯片工艺来构建这些部件没有意义。”摩尔说,“用最好、最经济的工艺来制造每个部件,然后把它们堆叠在一起,或者至少将其放在一个封装中,这更合理。”

为了满足蓬勃发展的人工智能领域的需求,GPU制造商需要提高产量。由于想要传达自己有关互补金属氧化物半导体(CMOS)未来的信息,台湾积体电路制造股份有限公司(简称台积电)前董事长刘德音和该公司首席科学家黄汉森找到了摩尔。联系的成果就是本期杂志《通往万亿晶体管GPU之路》(第24页)一文。除了在企业任职外,黄汉森也是一名学者。他反复向摩尔表达的一个担忧是,人工智能和软件行业往往会从半导体工程领域抢走人才。

“我相信黄汉森和刘德音希望有技术头脑的年轻人能够理解让半导体持续进步的重要性,并且希望他们为此而努力。”摩尔说,“他们想证明,尽管摩尔定律已死的说法很多,但半导体工程仍然有着长期的职业前景。”
作者:Harry Goldstein

IEEE Spectrum

《科技纵览》

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