3D集成新方案，實現(xiàn)千倍芯片性能提升！
文章導(dǎo)讀： 隨著摩爾定律逐步進入平臺期，目前半導(dǎo)體芯片的性能提升已經(jīng)越來越多地依賴芯片架構(gòu)設(shè)計以及高級封裝技術(shù)的提升，而不是依靠半導(dǎo)體工藝體征尺寸的下降。另一方面，隨著人工智能時代的來臨，越來越多的計算芯片設(shè)計需要考慮人工智能對于算力的需求.
隨著摩爾定律逐步進入平臺期，目前半導(dǎo)體芯片的性能提升已經(jīng)越來越多地依賴芯片架構(gòu)設(shè)計以及高級封裝技術(shù)的提升，而不是依靠半導(dǎo)體工藝體征尺寸的下降。另一方面，隨著人工智能時代的來臨，越來越多的計算芯片設(shè)計需要考慮人工智能對于算力的需求。因此，如何在未來十年內(nèi)為人工智能應(yīng)用來設(shè)計和優(yōu)化相關(guān)的芯片架構(gòu)、工藝以及封裝系統(tǒng)就成了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都非常關(guān)注的問題。
在上周召開的2021國際電子器件大會（IEDM 2021）中，我們就看到了許多相關(guān)的研究發(fā)表，而其中非常值得我們關(guān)注的就是一篇來自MIT和斯坦福大學(xué)的論文，標題為《The Future of Hardware Technologies for Computing: N3XT 3D MOSAIC, Illusion Scaleup, Co-Design》（《面向計算的未來硬件平臺：N3XT 3D MOSAIC與Illusion Scaleup協(xié)同設(shè)計》）。該研究并非是一日之功，而是以MIT和斯坦福大學(xué)為代表的美國半導(dǎo)體工藝學(xué)術(shù)研究學(xué)派在超高密度3D集成領(lǐng)域多年研究的最新成果，并且還規(guī)劃了未來的路線圖。
目前，雖然以TSV為代表的3D集成技術(shù)已經(jīng)成熟，但是3D集成的通孔之間的間距仍然較大，在10um數(shù)量級。為了能進一步提升3D集成密度，美國半導(dǎo)體學(xué)術(shù)界（以斯坦福的黃漢森，Subhasish Mitra和MIT的Max Shulaker為代表）提出的方案是使用碳納米管技術(shù)。碳納米管技術(shù)的一個重要優(yōu)勢就是可以實現(xiàn)超高密度3D堆疊通孔，其通孔間距可縮小至100 nm，比目前的TSV通孔間距縮小了兩個數(shù)量級。同時，考慮目前人工智能應(yīng)用，其主要的性能瓶頸在于內(nèi)存訪問，因為人工智能所需要的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型運行時無論是權(quán)重還是中間結(jié)果都需要大量的內(nèi)存資源，因此需要把存儲器和計算邏輯以非常高的效率集成在一起。兩者相結(jié)合，就是使用碳納米管技術(shù)和超高密度3D集成技術(shù)把計算和（新）存儲器集成在一起，而美國半導(dǎo)體學(xué)界提出的解決方案就是N3XT，全稱是“基于納米工程的計算系統(tǒng)技術(shù)”。具體來說，N3XT把多種使用不同工藝實現(xiàn)的芯片層（包括用傳統(tǒng)硅工藝實現(xiàn)的數(shù)字邏輯，使用下一代存儲器工藝實現(xiàn)的高密度存儲器，使用碳納米管工藝實現(xiàn)的計算邏輯等）使用超高密度3D集成通孔集成到了一起。
以N3XT為單元，還可以把多個不同的N3XT單元（以及傳統(tǒng)的芯片）以各種形式進一步集成到一起，例如可以用TSV的形式把多個N3XT單元堆疊在一起，也可以用2.5D封裝的形式把多個N3XT封裝到通過一個硅基板上，由此實現(xiàn)超大規(guī)模的異構(gòu)集成。這種把多種芯片以各種方式集成到一起的方案稱之為MOSAIC（即Monolithc/stacked/assembled IC，指以各種不同形式集成到一起的芯片單元）。
至此，該研究中的主要工藝和器件技術(shù)（即論文標題中的N3XT 3D MOSAIC）已經(jīng)呈現(xiàn)在了我們眼前。下一步就是如何在系統(tǒng)層面上最大化這種規(guī)模化集成的效率。
超高密度3D集成配合系統(tǒng)優(yōu)化實現(xiàn)千倍性能提升
隨著人工智能對算力的需求越來越高，未來的N3XT系統(tǒng)也需要考慮在系統(tǒng)層面上如何最優(yōu)化以滿足人工智能的算力需求；換句話說，如果給100個N3XT系統(tǒng)，如何最優(yōu)化地分配任務(wù)，讓整體計算效率最高？這個問題如果能解決地好，就能很好地處理N3XT系統(tǒng)對于人工智能計算問題的規(guī)?；╯cale-up）。
對此，研究者提出的方案是Illusion Scaleup。Illusion scaleup主要是針對人工智能應(yīng)用中的深度學(xué)習(xí)算法。該系統(tǒng)設(shè)計方法中，首先把整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分割成多個部分，并且給每個N3XT模塊分配一部分計算任務(wù)。例如，分割可以以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層為單位，當(dāng)一層的計算量比較小的時候，可以在單個N3XT模塊上分配多個層的計算；當(dāng)一層的計算量較大時，則可以把一層網(wǎng)絡(luò)也分割成多個部分給不同的N3XT模塊。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同的層之間是串行計算關(guān)系，因此通過這種以層為單位來分割工作量，就可以讓不同的N3XT模塊之間以流水線的方式工作。另外，由于每個N3XT只負責(zé)一層計算，因此可以確保神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重不用在模塊間移動，而僅僅只需要移動中間結(jié)果，這樣就大大減小了數(shù)據(jù)移動帶來的額外開銷。
最后，由于N3XT系統(tǒng)可以使用下一代非易失性存儲器，例如RRAM，因此可以支持快速開關(guān)，針對于此作者還提出了可以利用此特性在不需要使用某個N3XT單元的時候把它關(guān)閉，從而可以大大節(jié)省漏電流。使用這樣的策略，可以通過線性增加每個N3XT的性能（例如增加N3XT堆疊層數(shù)，以及N3XT之間的互聯(lián)帶寬）來滿足人工智能計算對于算力指數(shù)級上升的算力。使用這樣的方法，研究表明整個N3XT 3D MOSAIC可以實現(xiàn)比目前3D堆疊100－1000倍的性能提升。
超高密度3D集成商用化的道路
目前美國半導(dǎo)體學(xué)術(shù)界對于碳納米管和N3XT相關(guān)技術(shù)的商用化決心很大，目前也有不錯的成果。整體來說，碳納米管在美國的商業(yè)化過程中包括了多方的加入：美國政府研究機構(gòu)DARPA，高校MIT和斯坦福，以及美國專門負責(zé)先進半導(dǎo)體技術(shù)代工的代工廠SkyWater。DARPA從多年前就開始大力資助碳納米管相關(guān)的下一代半導(dǎo)體工藝研究，兩年前，MIT的Max Shulake已經(jīng)帶領(lǐng)研究組在SkyWater實現(xiàn)了首個碳納米管和RRAM的3D堆疊芯片晶圓，而在最近的兩年中，同樣的團隊陸續(xù)完成了多個里程碑，包括首個碳納米管實現(xiàn)的超大規(guī)模集成電路（RISC－V處理器），首個碳納米管PDK等等。同時，在整個碳納米管研究團隊中起領(lǐng)袖作用的斯坦福大學(xué)教授黃漢森本人曾于2018－2020年學(xué)術(shù)休假期間全職擔(dān)任TSMC的副總裁，而在回到斯坦福大學(xué)之后仍然擔(dān)任TSMC的首席科學(xué)家職位，相信他也會成為碳納米管超高密度3D堆疊技術(shù)商用化的重要橋梁人物。
而在另一方面，在半導(dǎo)體工業(yè)界，對于大規(guī)模高密度3D封裝的追求也是歷歷可見。例如，AMD今年早些時候發(fā)布的3D V-Cache使用了TSMC的最新SoIC技術(shù)，可以將3D堆疊通孔間距下降到1um數(shù)量級，從而大大增加了3D堆疊的互聯(lián)密度。Intel也同樣在今年發(fā)布了Ponte Vecchio，可謂是它最雄心勃勃的芯片計劃，借助TSV以及Intel特有的EMIB技術(shù)實現(xiàn)了超大規(guī)模2.5D和3D互聯(lián)以及封裝。半導(dǎo)體業(yè)界對于下一代超高密度封裝和互聯(lián)非常強的訴求以滿足人工智能高性能計算的需求，在這樣的情況下，我們認為N3XT 3D MOSAIC從學(xué)術(shù)界的角度給出了一個未來相關(guān)技術(shù)的進化路線圖，其中至少有一部分（例如3D MOSAIC）會在未來幾年內(nèi)落地到商用中，而碳納米管技術(shù)隨著更多研究和驗證，也可望在稍遠的時間節(jié)點正式進入商用。
在中國，相關(guān)的碳納米管技術(shù)在學(xué)術(shù)界也有很好的研究積累，北大的彭練矛院士等團隊也在全球頂級期刊上發(fā)表了非常具有影響力的研究結(jié)果。超大規(guī)模高密度3D集成是一項系統(tǒng)工程，需要半導(dǎo)體工藝和器件，先進封裝技術(shù)以及電路架構(gòu)領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展，我們希望中國的相關(guān)技術(shù)能從目前的碳納米管器件的單點突破真正拓展到系統(tǒng)級突破，同時配合半導(dǎo)體代工和封裝業(yè)界的發(fā)展，這樣才能在下一代基于新一代器件和封裝技術(shù)的半導(dǎo)體新范式來臨時，能有足夠多的技術(shù)積累來引領(lǐng)整個技術(shù)潮流的發(fā)展。
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