挑战摩尔定律极限 可考虑不同半导体架构

4月登场的「超大型积体电路国际研讨会」（VLSI-TSA/DAT）是全球半导体产业年度盛事，首场专题演讲邀请到美国IBM华生研究中心研究员沙希迪（Ghavam Shahidi）以「功耗改善减缓，摩尔定律是否已走到尽头？」为题，谈半导体最新制程面临功率改善放缓的问题，并提出建议的解决之道。

1965年提出的摩尔定律（Moore's Law）引领半导体发展超过半世纪，是指芯片上可容纳的电晶体数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，但近年的互补式金属氧化物半导体（CMOS）先进制程中，最新几代纳米节点的功耗改善程度，已出现明显的放缓，这不禁让人忧心，摩尔定律是否即将走到尽头？

制程推进唯功耗降低才能提高效能

半导体的主流制程CMOS，多年来每推进到一个新的纳米节点，最大的两个效益就是：面积可缩小30%、功耗明显改善。以后者来看，在特定频率下，芯片功耗的降低（每次操作的耗能）是一项重要指标，因为惟有芯片的整体耗能改善，才有机会提升芯片性能，例如：可在芯片的下一代设计中，内建更多核心或新增更多功能。

综观半导体纳米节点的历史数据，早期每一代的纳米制程进化，其功耗与上一代相较，改善的幅度都很大。以Sony游戏主机Playsation 2所采用的250纳米芯片为例，整体芯片的耗能为23瓦，演进了3个世代后，来到90纳米节点，功耗仅须0.5瓦，等于每一个纳米世代较前一代平均节能72%以上。

14纳米制程节能幅度大不如前

然而，在近年几个制程中，节能幅度大不如前。以英特尔的Core i7做为测试标的，第一代Core i7采45纳米制程，第二代Core i7采32纳米制程，两代之间仅实现了32%到50%的能耗下降。

接下来Core i7在2012年进入了22纳米制程，能耗只比32纳米下降了20%至27%。2014年，英特尔又陆续发表采用14纳米的Broadwell及Skylake（分别是第五、第六代的Core i7），结果它与前一代的22纳米相较，功耗仅下降0%至25% ，节能幅度创下最低纪录。直到2017年推出采14++纳米制程的Core i7芯片，节能幅度才增至20%到33%。

观察Core i7从45纳米到14纳米的节能数据可以看出，虽然每一代制程，芯片的面积愈缩愈小，但能够达到的能耗缩减幅度却愈来愈小，尤其在14纳米初期最为明显。近2年进入更先进的10纳米制程，也有类似状况，例如英特尔在2018年5月推出第一个采用10纳米制程的Core i3，其功耗表现跟14纳米制程类似：亦即并未看到功耗大幅降低。

挑战极限可考虑不同半导体架构

这个是否代表摩尔定律已逼近极限？如果芯片在每个新世代的制程无法达到明显的功耗下降，确实会导致芯片效能出现瓶颈，因为芯片能否置入更多核心，能否新增更多功能，都与能耗息息相关。

展望未来，若要改善功耗，关键之一在于必须将半导体元件的电容降低。我认为，不论是业界目前初迈入的7纳米，甚或是未来更先进的纳米制程，也要准备好3种不同架构的选项来改善功耗：一是继续采行鳍式场效电晶体（FinFET）架构，设法将FET的闸极高度降低。
FinFET架构虽蔚为主流，却因闸极底部不导电及闸极过高，造成寄生电容产生，若能解决此一问题，应可见到功耗的改善。二是转向纳米线（Nano-wires）或垂直式FET（Vertical FET）等3D架构，以降低寄生电容和电阻；三是将平面式（Planar）架构纳入考量，例如SOI（绝缘层上硅晶体）的原理是在硅晶体之间，加入绝缘体物质，可使寄生电容减少。

我想大家都很期待，在未来几个更先进的纳米制程，能回复到早期纳米节点功耗大幅降低的景况，这对下世代高效能微处理器来说尤其重要。