挑战晶片缩小：突破登纳德定律的难题

随着进程的推进，关于摩尔定律的讨论又成为了热点。在2016年5月于比利时布鲁塞尔举办的欧洲微电子研究中心全球科技论坛上，业内再次将摩尔定律定为重要主题。提出摩尔定律的摩尔指出，“继续向下推进新的工艺节点正变得越来越困难，我不知道它（摩尔定律）还能持续多久。”“如果在未来十年中，尺寸缩小走到了尽头，我也不会觉得意外。”

荷兰ASM公司首席技术官兼研发主管伊沃·拉杰斯（Ivo J.Raaijmakers）认为：“呈指数级增长一直是半导体产业的特征，它还将继续下去。但是增长率和前往下一个技术节点的节奏可能放缓，逐渐向全球GDP增长率看齐。”“由于需求所致，产业界必将会找到一个方法来继续缩小尺寸，但是它将会有所不同，不再完全依照过去传统的摩尔定律和登纳德缩放定律（Dennard Scaling）。”

登纳德缩放定律源于罗伯特·登纳德（Robert Dennard）在1974年发表的论文“Design of ion-implanted MOSFETS with very small physical dimensions”。在该文中，登纳德指出，晶体管面积缩小后，其所消耗的电压和电流会以差不多相同的比例缩小。例如，晶体管的尺寸减半后，晶体管的静态功耗将会降至1/4（电压和电流同时减半）。由此，相同面积的电路中集成更多晶体管后，设计者可以大大地提高芯片的时钟频率（即同步电路中时钟的基础频率），提高频率所带来的更多的动态功耗会和减小的静态功耗相抵消。直到2005年，晶体管的尺寸减小后，量子隧穿效应已经使得晶体管漏电现象开始出现，登纳德缩放定律不再适用，芯片散热成了急需解决的问题。这也可以解释，为什么以高频、长流水线设计为主要理念的英特尔NetBurst微架构不尽如人意。基于NetBurst微架构的处理器在2007年不再生产，并且停止研发更新。自此，芯片研发者们纷纷停止高频芯片的研发，转向低频多核的架构―从2001年开始的第一个双核芯片，到后来的多核芯片乃至64核芯片，就是发展的规律所在。然而，从单核向多核的发展，并没有解决晶体管漏电、芯片发热越来越严重的根本问题。(www.xing528.com)

针对这一问题，国际计算机结构大会（International Symposium on Computer Architecture, ISCA）首次提出了“暗硅问题”（dark silicon problem）的概念：随着尺寸减小，所有晶体管的功率密度增长将越来越快，如果它们都同时全速运行，根本没法对其进行散热。为了满足功耗设计要求，通常情况下芯片中只有部分晶体管在工作，而其余部分晶体管处于休眠状态。面对这一问题，ARM率先在业务提出了异构系统架构―在芯片里同时放入高频的大核与低频的小核，核的利用根据所运行的操作系统决定，尽量减小功耗。这一设想在罗尔夫·兰道尔（Rolf Landauer）1961年的一篇论文中便已提及，用于计算的模型被称为可逆计算。由此，可逆计算自2012年以来成为一时的研究热点，设计师根据计算效率要求决定晶体管的利用率、把性能与功耗不同的核集成于异质多核的芯片中成为主流。

除异质多核的设计外，三维堆叠技术可以把集成晶体管数量多、复杂度极高的芯片分成若干小芯片再堆叠起来，降低了复杂度，提升了产品合格率，或将带来理想的效果。如果这一设想实现，鳍型晶体管技术将过渡到水平纳米线（Lateral Nanowire）和垂直纳米线（Vertical Nanowire），以三维方式构建，而原先的硅片平面蚀刻技术转变成多层蚀刻技术。然而，三维堆叠技术仍然有不少的技术难题需要攻克，而且成本过高也是摆在其商业化应用面前的一道坎。