在 2024 年 SEMI 國(guó)際戰(zhàn)略研討會(huì)上，我（指代本文作者Scotten Jones，以下同）從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度審視十年后邏輯將走向何方。以下是我的演講的討論。
為了理解邏輯，我相信了解前沿邏輯器件的構(gòu)成是有用的。TechInsights 提供了詳細(xì)的封裝分析報(bào)告，我為 10 種 7 納米和 5 納米級(jí)設(shè)備獲取了報(bào)告，包括英特爾和 AMD 微處理器、Apple A 系列和 M 系列處理器、NVIDIA GPU 以及其他設(shè)備。
圖 1 說明了芯片區(qū)域（die area）的構(gòu)成。
圖 1. 邏輯布局（Logic Layouts）
從圖 1 中可以看出，邏輯部分占芯片面積（ die area）略小于二分之一，內(nèi)存部分略小于芯片面積的三分之一，而 I/O、模擬和其他部分則占平衡。我發(fā)現(xiàn)有趣的是，實(shí)際測(cè)量的 SRAM 內(nèi)存面積比我通常聽到人們談?wù)摰钠舷到y(tǒng) (SOC) 產(chǎn)品的百分比要小得多。右下角的圖顯示存在一個(gè)異常值，但除此之外，值緊密聚集。
單一邏輯幾乎占據(jù)了芯片面積的一半，因此從設(shè)計(jì)的邏輯部分開始是有意義的。邏輯設(shè)計(jì)是使用標(biāo)準(zhǔn)單元（standard cell）完成的，圖 2 是標(biāo)準(zhǔn)單元的平面圖。
圖2：標(biāo)準(zhǔn)單元
標(biāo)準(zhǔn)單元的高度通常用 Metal 2 Pitch (M2P) 乘以軌道（tracks）數(shù)量來表示，但從圖的右側(cè)可以看出，器件結(jié)構(gòu)的橫截面圖也必須與單元高度相匹配并受到設(shè)備物理的限制。取決于接觸式多晶硅節(jié)距 (CPP：Contacted Poly Pitch) 的單元寬度也是如此，從圖的底部可以看到器件結(jié)構(gòu)的橫截面圖，該結(jié)構(gòu)再次受到物理約束。
圖 3 顯示了確定單元寬度和單元高度縮放實(shí)際限制的分析結(jié)果。我有一個(gè)演示文稿詳細(xì)介紹了縮放限制，在該演示文稿中，圖 2 和圖 3 之間有數(shù)十張幻燈片，但由于時(shí)間有限，我只能展示結(jié)論。
圖3：邏輯單元微縮
單元寬度縮放（Cell width scaling ）取決于 CPP，圖的左側(cè)說明了 CPP 如何由柵極長(zhǎng)度 (Lg：Gate Length )、接觸寬度 (Wc：Contact Width) 和兩個(gè)接觸到柵極間隔物厚度 (Tsp：Contact to Gate Spacer Thicknesses) 組成。Lg 受泄漏限制，可接受泄漏的最小 Lg 取決于器件類型：具有單柵極的平面器件能夠使用一個(gè)厚度未受限制（約為30nm左右）的溝道表面；FinFET 和水平納米片 (HNS：horizontal Nanosheets) 限制溝道厚度（~5 nm），并分別具有 3 個(gè)和 4 個(gè)柵極。
最后，2D 材料引入了 <1 nm 溝道厚度的非硅材料，并且可以生產(chǎn)低至約 5 nm 的 Lg。由于寄生效應(yīng)，Wc 和 Tsp 的擴(kuò)展能力都有限。最重要的是，2D 器件可能會(huì)產(chǎn)生約 30 納米的 CPP，而當(dāng)今的 CPP 約為 50 納米。
單元高度縮放（Cell height scaling ）如圖右側(cè)所示。HNS 提供單個(gè)納米片堆疊來代替多個(gè)fins。然后，向具有 CFET 的堆疊器件的發(fā)展消除了水平 np 間距，并堆疊了 nFet 和 pFET。目前的單元高度為 150nm 至 200nm，可以降低至約 50nm。
CPP 和單元高度縮放的結(jié)合可以產(chǎn)生每平方毫米約 15 億個(gè)晶體管 (1500 MTx/mm2) 的晶體管密度，而當(dāng)今的晶體管密度<300MTx/mm2。應(yīng)該指出的是，2D 材料可能是 2030 年中后期的技術(shù)，因此 1,500 MTx/mm2不在此處討論的時(shí)間范圍內(nèi)。
圖 4 總結(jié)了英特爾、三星和臺(tái)積電宣布的工藝。
圖4：已公布的工藝節(jié)點(diǎn)
對(duì)于每個(gè)公司和年份，都會(huì)顯示設(shè)備類型、是否使用背面電源、密度、功率和性能（如果有）。功耗和性能是相對(duì)指標(biāo)，英特爾不提供功耗。
在圖 4 中，領(lǐng)先的性能和技術(shù)創(chuàng)新以粗體突出顯示。三星是第一個(gè)在 2023 年投入生產(chǎn) HNS 的公司，英特爾要到 2024 年才會(huì)推出 HNS，臺(tái)積電要到 2025 年才會(huì)推出。英特爾是第一個(gè)在 2024 年將背面電源投入生產(chǎn)的公司，三星和臺(tái)積電要到 2026 年才會(huì)推出。
我的分析得出的結(jié)論是，英特爾憑借 i3 成為性能領(lǐng)先者，并在所示期間保持這一地位，臺(tái)積電擁有功耗領(lǐng)先（英特爾數(shù)據(jù)不可用）和密度領(lǐng)先。
圖 5 展示了我們的邏輯路線圖，并包括預(yù)計(jì)的 SRAM 單元尺寸（稍后將詳細(xì)介紹）。
圖5：邏輯路線圖
從圖 5 中，我們預(yù)計(jì) CFET 將在 2029 年左右推出，從而提高邏輯密度，并將 SRAM 單元尺寸縮小近一半（SRAM 單元尺寸縮小實(shí)際上已停止在前沿）。我們預(yù)計(jì)到 2034 年邏輯密度將達(dá)到 ~757MTx/mm2。
邏輯晶體管密度預(yù)測(cè)和 SRAM 晶體管密度預(yù)測(cè)如圖 6 所示。
圖 6. 晶體管密度預(yù)測(cè)
邏輯和 SRAM 晶體管密度的縮放速度都在放緩，但 SRAM 的晶體管密度在更大程度上有所放緩，并且邏輯現(xiàn)在具有與 SRAM 相似的晶體管密度。
圖 7 總結(jié)了 TSMC 與邏輯和 SRAM 相比的模擬縮放數(shù)據(jù)。模擬和 I/O 縮放也都比邏輯縮放慢。
圖7：模擬和I/O縮放
對(duì)于較慢的 SRAM 以及模擬和 I/O 擴(kuò)展，一個(gè)可能的解決方案是Chiplet。Chiplet可以實(shí)現(xiàn)更便宜、更優(yōu)化的工藝來制造 SRAM 和 I/O。
圖8：Chiplet
圖8右側(cè)的圖來自我與Synopsys合著的2021年論文。我們的結(jié)論是，即使考慮到增加的封裝/組裝成本，將大型 SoC 分解成Chiplet也可以將成本降低一半。
圖 9 顯示了邏輯、SRAM 和 I/O 的標(biāo)準(zhǔn)化晶圓和晶體管成本（請(qǐng)注意，該圖已根據(jù)原始演示進(jìn)行更新）。
圖9：成本預(yù)測(cè)
右圖顯示了標(biāo)準(zhǔn)化晶圓成本。邏輯晶圓成本針對(duì)金屬層數(shù)量不斷增加的全金屬堆棧。SRAM 晶圓具有相同的節(jié)點(diǎn)，但由于 SRAM 的布局更為規(guī)則，因此僅限于 4 個(gè)金屬層。I/O晶圓成本基于16nm-11金屬工藝。我選擇 16nm 來獲得成本最低的 FinFET 節(jié)點(diǎn)，以確保足夠的 I/O 性能。
右圖是晶圓成本換算成晶體管成本。有趣的是，I/O 晶體管非常大，即使在低成本 16nm 晶圓上，它們的成本也是最高的（I/O 晶體管尺寸基于 TechInsights 對(duì)實(shí)際 I/O 晶體管的測(cè)量）。邏輯晶體管成本在 2nm 處上升，這是第一個(gè)臺(tái)積電 HNS 片節(jié)點(diǎn)，其微縮幅度不大。我們預(yù)計(jì)第二代 HNS 節(jié)點(diǎn)在 14A 時(shí)的微縮會(huì)更大（這與臺(tái)積電對(duì)其第一個(gè) FinFET 節(jié)點(diǎn)所做的類似）。同樣，第一個(gè) CFET 節(jié)點(diǎn)的成本也增加了一個(gè)節(jié)點(diǎn)的晶體管成本。除了一次性 CFET 縮小之外，由于縮小有限，SRAM 晶體管成本呈上升趨勢(shì)。該分析的底線是，盡管 Chiplet 可以提供一次性的好處，但晶體管成本的降低幅度將會(huì)不大。
下圖是我們得出的結(jié)論。
本文來自微信公眾號(hào)“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”（ID：icbank）
