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原题:台积电张晓强:集成电路技术发展蓝图
张晓强是台积电( TSMC )业务开发副社长，在2019杭州云栖大会上共享了集成电路科学技术发展趋势展望。 以下是张晓强整理和编辑内容共享的文字。
为什么今天我们可以讨论AI？ 我认为原因是半导体技术的革新和发展。 回顾人类历史，科学技术一直是推动社会进步的原动力。
回到19世纪，蒸汽机推进了第一次产业革命，推进了从乡村向城市的移动。 20世纪初是电力革命和汽车内燃机引擎，人类史上首次具有移动性，不仅加快了城市化进程，更重要的是共享想法，带来变革性的沟通。 21世纪是信息技术革命，信息技术中最重要的是半导体技术。 1948年，发明了世界上第一个晶体管，威廉shockley，John barde en，Walter br attain发明，1956年获得诺贝尔奖。 这三个人每个人都有有趣的故事，最有趣的是Shockley。 他从东海岸搬到西海岸，开设了Shockley Semiconductor Lab，采用了当时的年轻技术人员和科学家。 其中8人是Shockley的性格，8人的绰号被称为“叛徒”，这8人对硅谷半导体的发展做出了巨大的贡献。
晶体管是单个半导体器件，集成晶体管的下一步骤称为集成电路。 这项发明也很有意思。 发明集成电路的两人，一个在东部，另一个在西部。 东部的Jack Kilby当时在德克萨斯的仪器公司工作，1958年汇总了5个晶体管。 西部的Robert Noyce(8个“叛徒”之一)，即使是刚创立的仙童公司也构筑了同样的结构。 当时只有几个晶体管，并非马上就获得诺贝尔奖，而是在2000年前获得诺贝尔奖。 Jack Kilby获得诺贝尔奖，但罗伯特noyce不幸去世。 因为诺贝尔奖尚未授予已故人士，所以罗伯特·诺贝尔ce没有获得诺贝尔奖，但离开仙童公司创立了英特尔公司。 (注: Robert Noyce被称为硅谷之父，集成电路之父，是仙童半导体公司和英特尔公司的创始人。 中所述情节，对概念设计中的量体体积进行分析
半导体发展到今天，重要的创新实际上是商业模式的创新，尤其是今天在阿里巴巴州谈到商业模式，应用非常重要。 1987年张忠谋博士从美国到台湾后，创造了一种新的半导体工业模式，即半导体集成电路制造服务业模式，打开了整个半导体应用平台。
平头哥的重要产品发布是AI Chip含光800，台积电有幸与平头哥合作，今天这样的创新和如此快速的创新包括AI的应用，都与商业模式有关。 今天，世界上每个人都能接触到最先进的半导体技术，这是一项伟大的革新。
说到落地，说到应用，其实半导体的应用是驱动技术的源泉。 几十年前，如70年代，半导体最重要的应用是构建超级计算机，当时IBM从事很多半导体工作，到了构建很多超级计算机的80年代、90年代，PC进入半导体工艺的驱动力第三阶段，21世纪是移动计算。 接下来，手机的下一个阶段是什么？实际上无处不在的计算，即除了AI和5G之外，连接所有智能设备是未来10年半导体过程的推动力。
社会对半导体的期待也越来越高。 现在，ADAS的自动运行技术背后需要越来越强的计算，越来越需要智能的计算，从自动运行到未来的无人驾驶，需要更多的半导体和更多的计算能力。
对于半导体技术来说，已知Moore‘SW law’在芯片上集成更多的半导体器件和更多的功能，这反应于必须缩小晶体管。 因此，晶体管的微缩实际上是整个半导体工业的路线图，过去30年半导体晶体管持续微缩，今天已经谈到7纳米，明年台积电发表了5纳米的批量生产，这表明半导体将继续推进革新
说起半导体的微尺寸，70年代IBM有着名的IBM院士Bob(Robert) Dennard，他在半导体工业有很多重要的发明，其中之一的发明就是现在我们使用的1T1C DRAM。 回到最初的DRAM，他在70年代发表了论文。 这也是半导体尺度规律，即半导体设备如何变小的里程碑式的论文。 当时他已经设计了下一个20年的半导体路线图，如何使半导体器件最小化，即缩短栅极，降低电平，降低电压，然后能够将更多的器件集成到芯片上，这是70年代的半导体“黄金标准”。 ( 20世纪)到了90年代末和21世纪初，平面构造已经不能再小，很多基础物理方面都难以实现。
快进15年后，现在最先进的7纳米半导体，完全是三维立体结构，被称为FinFET。
许多新材料已经应用到这种结构中，如果这种结构未来也会发生微法拉，接下来的5纳米甚至3纳米，就需要更新材料的应用和新的结构创新。
半导体缩略图能带来什么好处？ 现在台积电的很多客户进入了7纳米时代，将7纳米与以往的16纳米相比，同样的功耗可以加速40%，性能提高40%，同样的性能可以降低65%。
因此，半导体技术在未来将继续发挥重要作用，AI需要更多的低功耗计算，先进的半导体技术是未来高级计算所必需的技术。 推进半导体工艺的发展，有很多技术创新，其中重要的是光刻。 在wafer晶片上刻印线路需要光刻技术，光刻技术一直是激光技术，193波长已经过了很多年。
学习光学的人都知道，当波长达到最小特征尺寸时，会出现proximity现象，印刷越来越困难，许多创新都是通过多重打印，使过程变得越来越复杂。 今年台积电第一年也将在生产中应用EUV(extreme ultraviolet )的新光刻技术，最近宣布7+纳米技术可以采用EUV技术推进晶体管的特征尺寸，晶体管结构也不是新材料，例如纯硅材料
最新的华为手机Kirin990，其实采用了世界首款大规模生产的EUV-based technology，其小芯片包含100亿以上的晶体管。
关于未来，晶体管结构继续发展，从平面结构向3D结构发展，新的沟道材料在进一步提高移动性的同时，也在进行新的研究，包括用2D材料解决沟道电导( channel conduction )的缩略图问题。 我相信将来会出现更好、更快的晶体管。
现在谈到功耗问题，两人最关心的是手机，一是手机功耗的分布，今天芯片占了一半以上的手机功耗，为什么低功耗的半导体技术很重要，因为现在手机的一半电池都被芯片消耗掉了。 另一个是数据中心，云数据中心的电力和运输约占数据中心总成本的三分之一。 无论是边缘设备还是数据中心，功耗都非常重要。
AI采用神经网络算法计算，采用三种流行神经网络算法进行功耗分析。 发现大量的消耗电力实际上被移动数据消耗，不是计算。 例如，当从数据存储单元移动到计算引擎时，数据移动站消耗80%以上的能量。 怎么办？ 如何降低移动数据的能耗？ 其实一个简单的方法是物理设计，使数据和计算引擎接近。
那么，为什么不将存储器和计算逻辑放入晶片中呢？实际上，这种方法已经尝试了很多次，但是最终还是发现了没有丢失，逻辑电路技术的需求与DRAM不完全一致，所以很难集成到die中。
第二个最佳途径是使用硅夹层( silicon interposer )技术。 台积电近10年前发表了名为CoWoS、Chip-on-Wafer-on-Substrate的技术。 使用该电介质层的方式，通过电介质层连接逻辑电路和存储器，得到高带宽的效果，有助于降低数据移动的消耗功率。
进一步扩展，如何集成逻辑运算和存储器，传统方法通过PCB印刷电路板将逻辑运算和存储器连接到外部，被称为2D System，但实际上当今的电子系统大多具有存储器芯片和逻辑芯片，集成的是micro PCB。
最近，制作2.5D system (即DRAM )，将DRAM以TSV进行重叠，称为hbm(highbandbandwidthmemory )，将硅夹层( silicon interposer )与逻辑电路集成，提供高频带且高性能的系统
在未来的3d系统中，DRAM和逻辑电路可以直接而不是在中间层上堆叠，从而可以增加更宽的带宽，并且精细节距的TSV封装可以显着改进。
现在研究阶段，逻辑电路和存储器如何重叠，实际上必须构筑成单体系统( monolithic system )。 3D结构的各层采用不同的材料。 例如，存储器、存储器可以用新的材料直接叠加在逻辑层的晶片上，并且层叠在一起可以将逻辑运算和存储器完全集成到一个系统中。 这当然是未来的方向。
我们经常谈论数字时代，但现实世界实际上是逻辑世界。 传感器与信号的感测过程实际上是逻辑过程，许多功能，例如动作捕捉等是模拟电路功能。 为了构建将来的高效系统，仅靠逻辑电路是不够的，还必须集成模拟系统、感测、功耗管理、集成闪存、3D CMOS MEMS等。
在台积电，现在与客户沟通不是看个别的技术，而是从系统的角度来看，如何从Day1系统设计中整合不同的芯片功能，是一个大方向。 将来会发生越来越多的芯片级集成，发现将不同性质、不同功能的芯片集成到高级封装、3d技术中。
将来如何继续改善能耗？ 例如，通用CPU可以帮助计算，但功耗不太好。 GPU服务于图形图像应用，功耗较好，但特定应用的编程能力不足。 当然还有DSP、FPGA等，但如果将来想要继续改善，则需要特别的硬件优化。 目前许多AI加速器实际上进一步改善了能源消耗。
未来的半导体发展，晶体管的小型化发展，新材料问世。 你知道第一个晶体管用的是什么材料吗？ 硅不是硅而是Germanium (锗)，硅之所以能取代锗，是因为硅具有很多特性，而且是地球上最丰富的材料之一。 未来可能继续被称为硅技术，但未来的晶体管可能不是硅而是其他材料。 总之，晶体管的小型化持续在两个层面上，在新材料的创新和芯片层面上结合不同的功能。 同时，软件和硬件协同设计、协同优化是第三个新方向，它对系统级性能产生了重大影响。 (文/宁川)
