在IC領域，制造工藝決定了最終的設計能否實現(xiàn)，從本質(zhì)上來講，它是制造決定設計的產(chǎn)業(yè)。在這個領域里面，使用這種手段最為純熟的乃是IBM、Intel這樣的廠商。
但是，IC制造的發(fā)展速度由于IC業(yè)的競爭，已經(jīng)快要到材料的極限，電路之間的隔層差不多快要到原子級別，一些以前不會出現(xiàn)的問題逐漸顯現(xiàn)。比如制作半導體需要參雜的工藝，就需要控制具體的數(shù)量，而不能如同以前一樣，任由雜質(zhì)進行自由組合，這將大大增加IC制造的難度；半導體的絕緣層也將因為光刻化學藥品本身的特性，凹凸不平的程度將直接影響IC能否正常運行，身為IBM院士的陳自強博士指出，當電路之間的隔層寬度可能為320埃，而其中的凹坑就有可能為80埃，那就意味著，在一些極端的地方，隔層寬度只有160?！綍r候，目前的材料還能用么？
硅基IC不越摩爾定律雷池
盡管這是未來15年以后的事情，專注前沿科技研究的科學家已經(jīng)等不及了。不僅是因為材料限制，在22nm以下的工藝，無法使得電路穩(wěn)定運行，還會因為集成過于大量的晶體管，使得處理器的功率達到驚人的地步。
我們可以看到，在過去的幾年里，我們并沒有因為生產(chǎn)工藝的提高帶來功耗的真正大幅度降低，反而因為頻率和晶體管數(shù)量的大幅度增加而有所增加，這就是目前IC前沿研究所需要急切解決的問題。同時，因為CMOS晶體管的絕緣層的距離大大變小，降低的閾值將會低于1V，那就意味著，IC受到干擾的概率大大增加，而供電電流會成幾百安培的規(guī)模，的確是相當駭人的。
但是，摩爾定律并沒有因此而被打破，在它提出的將近40年的時間里，半導體行業(yè)一直小心地遵循摩爾定律，不越雷池。根據(jù)IBM研究院Thomas J.Watson研究中心科技副總裁陳自強的博士說，在可見的未來，摩爾定律仍然不會被打破，盡管IC領域的人們散失了對頻率追逐的興趣，但是多核布局還將讓摩爾定律大放光彩。
多核乃是目前遵循摩爾定律不得已的辦法?，F(xiàn)在，Intel的65nm工藝的四核處理器已然如同陳兵百萬，蓄勢而出，TI的65nm工藝也已經(jīng)進入了量廠。但是，我們發(fā)現(xiàn)，在IC領域，更多是自己與自己競爭，缺乏對所服務行業(yè)的支持，成為IC領域過度競爭的明證。
從技術(shù)上看，IC領域是不用揚鞭自奮蹄，跑得比誰都快，依然還要追求更快，把自己逼上了梁山，IC領域在材料上的瓶頸也隨之而來。
我們現(xiàn)在需要這么先進的技術(shù)么？比如降低工作電壓，的確提高了頻率，并且降低了同性能下的功率消耗，但是性能的追求使得芯片集成度大大增加，反而使得功耗大幅度上漲，并且對外界的干擾也逐漸敏感。在一些復雜的環(huán)境里，反而不太可用。
另外，工藝的大幅度提升，這種累進的技術(shù)成果并沒有完全在產(chǎn)品上得到繼承，反而使得進入IC領域的門檻提高，并且增加了產(chǎn)量上的壓力。為了養(yǎng)活這樣的工廠，大量的設計和想法都必須要成為芯片，才有可能使得產(chǎn)業(yè)鏈成活。
那么，解決這個問題還有什么招數(shù)？陳博士介紹說，主要有替代材料的研究、邏輯創(chuàng)新和系統(tǒng)創(chuàng)新三個方面。
替代材料緊俏
在替代材料的研究中，碳納米管是其中的核心。因為碳納米管的特性，跟晶體管的特性很相近，IBM已經(jīng)首先使用碳納米管實現(xiàn)了5個集成，運行頻率達到了75MHz，這遠遠不是碳納米管的實際能力，根據(jù)介紹，它的運行潛在頻率高達950GHz。陳博士介紹說，目前最大的問題是這種材料的提純很難，導致進入工程化的階段速度大大降低，另外，這種材料的集成度一時很難提高。
除了碳納米管的電特性，它的光電特性也十分誘人，不像傳統(tǒng)的LED，它可以在整個導電的長度內(nèi)都能發(fā)光。意味著有可能通過這個制造激光或者實現(xiàn)IC內(nèi)部的通信。陳博士說，能否成為目前IC的替代品，必須遵循幾個原則，最重要的是集成度能不能上去。
因而，實際上除了碳納米管目前可用之外，還有一些其他的技術(shù)正在研究之中。比如通過控制電子自旋實現(xiàn)邏輯表示，從而能夠?qū)崿F(xiàn)存儲密度的大幅度上升，它可以在一個很小的垂直高度上堆疊達到100層，這就意味著存儲容量的百倍上升。問題是，這樣的邏輯實現(xiàn)起來有難度，集成度很難提高到需要的程度，進入實用仍需時日，不過這種邏輯的耗電非常低，現(xiàn)在的研究表明大約為目前模式的1/1000000，這樣超低功耗IC的研究將成為可能。
除了目前用過的一些材料，科學家們開始在根據(jù)元素周期表來選擇一些新的材料，用于IC的制造之中。
當然了，半導體的科學家還在考慮其他的辦法，比如分子的鏈式反應實現(xiàn)信息傳遞和計算，通過光子實現(xiàn)的計算以及DNA。不過，在有一段時間比較熱的非對稱邏輯，并沒有成為目前研究的邏輯替代方案。
我們現(xiàn)在能做什么？
如果說IC是技術(shù)推動的還不如說是IC制造推動的，每一代的技術(shù)進步都將帶來巨大的性能的提升，很顯然，有些層面，目前的IC已經(jīng)超越了我們的需求。我們需要服務的產(chǎn)業(yè)遠遠被IT產(chǎn)業(yè)拋在了后面，那么，現(xiàn)在需要做的，就是調(diào)轉(zhuǎn)頭來，從需求的角度來設計IC。
IBM、索尼和東芝合作的Cell就是這樣的產(chǎn)物。它的結(jié)構(gòu)相當有趣，各個模塊并不復雜，各個協(xié)處理基元可以根據(jù)需要進行單獨的設定，比如特別定制為處理音頻或者視頻。像游戲這種需要大量處理圖形數(shù)據(jù)的應用，激發(fā)了這種新的模式，陳博士認為，不僅尋找替代材料是當務之急，對目前系統(tǒng)級別的創(chuàng)新也是必要的。在編譯器、系統(tǒng)價格的創(chuàng)新使得Cell成為應用很廣的處理器系統(tǒng)。
現(xiàn)在，Cell除了用在索尼的PS3之外，還被用在IBM的刀片服務器上，以及圖形工作站也將使用這個處理器。由于處理器具備靈活的可定制特性，使得Cell將成為未來處理器設計的樣板。
多個核之后，還會對稱運算嗎？顯然是不充分的，這將浪費大量資源，因而，當制造提供很大潛在能力的時候，新的需求就要求系統(tǒng)設計必須有前瞻能力。因而，那種根據(jù)應用搭配的處理器，針對不同應用的優(yōu)化將成為主流元素。比如，一個8個核的處理器，可進行計算分布，把一部分分給通用計算，把一部分留給圖形運算，這個時候，估計GPU也能集成到其中去了。
系統(tǒng)創(chuàng)新是一個系統(tǒng)工程，卻尤其不適合像Wintel這樣的松散聯(lián)盟，倒是十分適合索尼PS3以及IBM、SUN等能夠自己整合硬件和軟件的系統(tǒng)，才將成為未來多核的中堅力量。
3D芯片也是目前的應急方案。Intel以及IBM都在研究這種芯片的刻蝕技術(shù)。3D的晶體管將不是目前平面上刻蝕出來，而是雕刻出來一樣，控制晶體管導通的跨越源極和基極，3D晶體管可以進行跨接，實現(xiàn)3D互通，從而降低芯片的功耗，但是成品率以及測試成本估計要上升。
現(xiàn)在預言IC未來15年以后的事情，是不恰當?shù)?，整個世界變換如此之快，很難根據(jù)現(xiàn)在的情況去看清楚未來的事情，但是我們有一點可以相信，IC替代還是有足夠的空間留給我們的IC設計和制造走向成熟，若非如此，又趕不上了……
但是，IC制造的發(fā)展速度由于IC業(yè)的競爭，已經(jīng)快要到材料的極限，電路之間的隔層差不多快要到原子級別，一些以前不會出現(xiàn)的問題逐漸顯現(xiàn)。比如制作半導體需要參雜的工藝，就需要控制具體的數(shù)量，而不能如同以前一樣，任由雜質(zhì)進行自由組合，這將大大增加IC制造的難度；半導體的絕緣層也將因為光刻化學藥品本身的特性，凹凸不平的程度將直接影響IC能否正常運行，身為IBM院士的陳自強博士指出，當電路之間的隔層寬度可能為320埃，而其中的凹坑就有可能為80埃，那就意味著，在一些極端的地方，隔層寬度只有160?！綍r候，目前的材料還能用么？
硅基IC不越摩爾定律雷池
盡管這是未來15年以后的事情，專注前沿科技研究的科學家已經(jīng)等不及了。不僅是因為材料限制，在22nm以下的工藝，無法使得電路穩(wěn)定運行，還會因為集成過于大量的晶體管，使得處理器的功率達到驚人的地步。
我們可以看到，在過去的幾年里，我們并沒有因為生產(chǎn)工藝的提高帶來功耗的真正大幅度降低，反而因為頻率和晶體管數(shù)量的大幅度增加而有所增加，這就是目前IC前沿研究所需要急切解決的問題。同時，因為CMOS晶體管的絕緣層的距離大大變小，降低的閾值將會低于1V，那就意味著，IC受到干擾的概率大大增加，而供電電流會成幾百安培的規(guī)模，的確是相當駭人的。
但是，摩爾定律并沒有因此而被打破，在它提出的將近40年的時間里，半導體行業(yè)一直小心地遵循摩爾定律，不越雷池。根據(jù)IBM研究院Thomas J.Watson研究中心科技副總裁陳自強的博士說，在可見的未來，摩爾定律仍然不會被打破，盡管IC領域的人們散失了對頻率追逐的興趣，但是多核布局還將讓摩爾定律大放光彩。
多核乃是目前遵循摩爾定律不得已的辦法?，F(xiàn)在，Intel的65nm工藝的四核處理器已然如同陳兵百萬，蓄勢而出，TI的65nm工藝也已經(jīng)進入了量廠。但是，我們發(fā)現(xiàn)，在IC領域，更多是自己與自己競爭，缺乏對所服務行業(yè)的支持，成為IC領域過度競爭的明證。
從技術(shù)上看，IC領域是不用揚鞭自奮蹄，跑得比誰都快，依然還要追求更快，把自己逼上了梁山，IC領域在材料上的瓶頸也隨之而來。
我們現(xiàn)在需要這么先進的技術(shù)么？比如降低工作電壓，的確提高了頻率，并且降低了同性能下的功率消耗，但是性能的追求使得芯片集成度大大增加，反而使得功耗大幅度上漲，并且對外界的干擾也逐漸敏感。在一些復雜的環(huán)境里，反而不太可用。
另外，工藝的大幅度提升，這種累進的技術(shù)成果并沒有完全在產(chǎn)品上得到繼承，反而使得進入IC領域的門檻提高，并且增加了產(chǎn)量上的壓力。為了養(yǎng)活這樣的工廠，大量的設計和想法都必須要成為芯片，才有可能使得產(chǎn)業(yè)鏈成活。
那么，解決這個問題還有什么招數(shù)？陳博士介紹說，主要有替代材料的研究、邏輯創(chuàng)新和系統(tǒng)創(chuàng)新三個方面。
替代材料緊俏
在替代材料的研究中，碳納米管是其中的核心。因為碳納米管的特性，跟晶體管的特性很相近，IBM已經(jīng)首先使用碳納米管實現(xiàn)了5個集成，運行頻率達到了75MHz，這遠遠不是碳納米管的實際能力，根據(jù)介紹，它的運行潛在頻率高達950GHz。陳博士介紹說，目前最大的問題是這種材料的提純很難，導致進入工程化的階段速度大大降低，另外，這種材料的集成度一時很難提高。
除了碳納米管的電特性，它的光電特性也十分誘人，不像傳統(tǒng)的LED，它可以在整個導電的長度內(nèi)都能發(fā)光。意味著有可能通過這個制造激光或者實現(xiàn)IC內(nèi)部的通信。陳博士說，能否成為目前IC的替代品，必須遵循幾個原則，最重要的是集成度能不能上去。
因而，實際上除了碳納米管目前可用之外，還有一些其他的技術(shù)正在研究之中。比如通過控制電子自旋實現(xiàn)邏輯表示，從而能夠?qū)崿F(xiàn)存儲密度的大幅度上升，它可以在一個很小的垂直高度上堆疊達到100層，這就意味著存儲容量的百倍上升。問題是，這樣的邏輯實現(xiàn)起來有難度，集成度很難提高到需要的程度，進入實用仍需時日，不過這種邏輯的耗電非常低，現(xiàn)在的研究表明大約為目前模式的1/1000000，這樣超低功耗IC的研究將成為可能。
除了目前用過的一些材料，科學家們開始在根據(jù)元素周期表來選擇一些新的材料，用于IC的制造之中。
當然了，半導體的科學家還在考慮其他的辦法，比如分子的鏈式反應實現(xiàn)信息傳遞和計算，通過光子實現(xiàn)的計算以及DNA。不過，在有一段時間比較熱的非對稱邏輯，并沒有成為目前研究的邏輯替代方案。
我們現(xiàn)在能做什么？
如果說IC是技術(shù)推動的還不如說是IC制造推動的，每一代的技術(shù)進步都將帶來巨大的性能的提升，很顯然，有些層面，目前的IC已經(jīng)超越了我們的需求。我們需要服務的產(chǎn)業(yè)遠遠被IT產(chǎn)業(yè)拋在了后面，那么，現(xiàn)在需要做的，就是調(diào)轉(zhuǎn)頭來，從需求的角度來設計IC。
IBM、索尼和東芝合作的Cell就是這樣的產(chǎn)物。它的結(jié)構(gòu)相當有趣，各個模塊并不復雜，各個協(xié)處理基元可以根據(jù)需要進行單獨的設定，比如特別定制為處理音頻或者視頻。像游戲這種需要大量處理圖形數(shù)據(jù)的應用，激發(fā)了這種新的模式，陳博士認為，不僅尋找替代材料是當務之急，對目前系統(tǒng)級別的創(chuàng)新也是必要的。在編譯器、系統(tǒng)價格的創(chuàng)新使得Cell成為應用很廣的處理器系統(tǒng)。
現(xiàn)在，Cell除了用在索尼的PS3之外，還被用在IBM的刀片服務器上，以及圖形工作站也將使用這個處理器。由于處理器具備靈活的可定制特性，使得Cell將成為未來處理器設計的樣板。
多個核之后，還會對稱運算嗎？顯然是不充分的，這將浪費大量資源，因而，當制造提供很大潛在能力的時候，新的需求就要求系統(tǒng)設計必須有前瞻能力。因而，那種根據(jù)應用搭配的處理器，針對不同應用的優(yōu)化將成為主流元素。比如，一個8個核的處理器，可進行計算分布，把一部分分給通用計算，把一部分留給圖形運算，這個時候，估計GPU也能集成到其中去了。
系統(tǒng)創(chuàng)新是一個系統(tǒng)工程，卻尤其不適合像Wintel這樣的松散聯(lián)盟，倒是十分適合索尼PS3以及IBM、SUN等能夠自己整合硬件和軟件的系統(tǒng)，才將成為未來多核的中堅力量。
3D芯片也是目前的應急方案。Intel以及IBM都在研究這種芯片的刻蝕技術(shù)。3D的晶體管將不是目前平面上刻蝕出來，而是雕刻出來一樣，控制晶體管導通的跨越源極和基極，3D晶體管可以進行跨接，實現(xiàn)3D互通，從而降低芯片的功耗，但是成品率以及測試成本估計要上升。
現(xiàn)在預言IC未來15年以后的事情，是不恰當?shù)?，整個世界變換如此之快，很難根據(jù)現(xiàn)在的情況去看清楚未來的事情，但是我們有一點可以相信，IC替代還是有足夠的空間留給我們的IC設計和制造走向成熟，若非如此，又趕不上了……
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