院士论坛：集成电路推动处理器的发展历程及未来展望

引言

集成电路（IC）和计算机相伴相生，之间的关系非常紧密。集成电路的集成度和性能的持续进步，推动了计算机算力、能效的快速提升。与此同时，计算的新应用拓展也驱动了集成电路等基础器件的电路架构、工艺、集成技术的不断创新。

1 IC如何推动微处理器的发展

实际上，通用计算机早于集成电路出现——20世纪40年代，基于真空电子管的通用计算机就在密码破译、导弹的轨迹计算以及原子弹的研制等方面发挥了重要的作用。

随着固态器件即晶体管的发明，基于晶体管的计算机的算力急速提升，成本也大幅下降，使得计算机的应用从军事领域拓展到商业领域。

特别值得一提的是20世纪70年代初期，英特尔只是一家100多人的小企业，因接受了日本Busicom公司的订单委托，做一款用于计算器的处理芯片，最终英特尔完成了在单个芯片上实现了一个完整的处理器的开发，诞生了第一个商用的通用处理器。该处理器被英特尔命名为4004。4004 采用10 μm 的工艺，在12 mm² 的面积上集成了2300个晶体管，算力达60KOPS，已有RISC架构雏形。

这款芯片非常有价值，因为它开启了英特尔新的发展时代，也使英特尔在集成电路制造领域成为一家伟大的企业。从更严格的意义上看，著名的摩尔定律是按照英特尔的尺寸微缩来定义的。

从上世纪70 年代的4004/10 μm到现在的5 nm技术，大概经历了20 代的制程技术（如图1）。如果较粗地进行划分，可分为三个阶段：早期，是物理尺寸微缩的阶段，制造技术的进步主导了集成电路的发展，集成电路从小规模、中规模到大规模、超大规模。中期，发展到100 nm以下后，单纯地靠尺寸微缩已无法维持集成电路的高速发展，这时依靠物理尺寸微缩和电路架构创新，来共同推动集成电路的发展，此时集成电路进入了SoC的时代。当前及未来，是集成芯片：chiplet-based integration，此部分将在第三部分探讨。

图1 集成电路微缩工艺历史（以英特尔为例）

CPU在几何尺寸上的微缩有效的时期也称为Dennard微缩定理（尺寸微缩从10μm到0.13μm，功率密度保持不变）的有效时期。由于工艺制造技术的进步，使CPU的性能快速提升，CPU从4位发展到64位，还包括了高速缓存、流水线、超标量、多发射体系架构等可以在单个芯片上实现，这是一个非常快速发展的时期。

在这些背后，集成电路做了哪些技术提升？首先是光刻技术的不断进步。光刻的基本原理是把掩模板的图形转移到衬底上，它的分辨率由式（1）这个简单的公式决定：

从式（1）可知，提高分辨率有三个路径： ①减少光源的波长λ，光源的波长从早期的436 nm（汞灯G-line）到今天EUV（极紫外线光源）技术的7 nm以下；②增加镜头的数值孔径ΝΑ，从早期的0.33增加到现在的1.36；③减少k₁因子。

1.1 光刻技术。在过去60 多年的发展历程中，光刻技术从光源、镜头的材料与结构、图形传递模式（注：传统的传递方式是透射式，EUV 光刻已经采用反射式）多元化创新，特别是对于今天的步进- 扫描的光刻机，最大的单次曝光面积已达26×33=858 mm²，遇到了“面积墙”。

1.2 晶圆的尺寸不断增大。单个晶圆上可以获得的芯片的数量越多，越能降低单个晶体管的制造成本。例如从2英寸到12英寸，单个基层晶体管的成本下降了8个数量级。这种成本优势在存储器里尤为明显。

1.3 器件的结构变迁

1）平面架构

平面器件的结构经过一代代演进，发生了非常大的变化。以集成电路的关键技术——平面MOSFET 为例，教科书上的沟道之间导通的原理越来越复杂，以提高驱动的能力，改善静电，减少材料和工艺带来的波动性，最终提高产品的性能。

随着尺寸的微缩，逻辑门的延迟在不断减少，到了250 nm，Al（铝）互连+SiO₂ 绝缘介质的技术节点，互联RC 延时已经主导了系统性能，所以就诞生了新的互联技术：由双大马士革Cu+low k 介质的工艺，代替了传统互联。这种技术首先由IBM 推向量产。1998年，IBM 发布了首款铜互连微处理器——IBM PowerPC 750，采用0.22 μm 工艺，相较于铝互连，工作频率提升33%。

到了100 nm以下之后，Dennard微缩定律停滞。这是由于漏电的增加，很难保持功率密度不变。这时单纯靠几何尺寸的微缩来实现高算力的增长趋缓，所以计算机微处理器朝着多核异构以及专用架构的方向发展。此时，集成电路也进入了制造和设计协同发展的时代。

在这个阶段，制造技术有哪些变革？首先是由于尺寸不断微缩，沟道导致的载流子迁移率降低，因此应变硅技术首先得到应用，在英特尔奔腾4 处理器90 nm 工艺中量产，主频达到3 GHz。

随着尺寸进一步微缩，传统的SiO₂ + 多晶硅已经行不通了，所以高介电常数（High-k）+ 金属栅得到应用，使漏电减少10 倍。这一技术也是英特尔首先在其45 nm工艺Core2/Xeon（酷睿2/ 至强）中得到量产，随后在更小的节点上得到广泛应用。

2）立体架构

随着特征尺寸进一步微缩，平面器件结构被抛弃，FinFET取代平面器件，成为主流的器件结构。这一技术也是由英特尔2012 年首先在其22 nm FinFET工艺中得到验证量产，生产Ivy Bridge 处理器。

3）异构多核、SoC 时代

从另一个角度——架构来看，以CPU 为例，就是从单核发展到多核，并进一步采用了异构多核的架构、协处理器、GPU架构、专用处理器等来提高性能。集成电路进入了SoC的时代。

集成电路技术经过多年的发展，也遇到了天花板。

以英伟达的GPU 为例，A100 芯片的单个芯片面积已达828 mm²，接近了光刻机的面积极限858 mm²。

从另一角度来看，单个芯片的面积不断增大，芯片的良率也在急剧下降，这也就意味着SoC 芯片的进一步发展也面临着诸多的挑战。

因此，从处理器角度来看，吴明院士认为大致可以分成三个阶段。

早期（1971—2005），制造技术扮演了重要的角色，单个die（芯片）的密度支持了更多的性能。单个die密度从最初的2300 到了26 亿个晶体管。

中期（2005—2020），设计和制造的协同扮演了重要的角色，不仅单个die 的集成度和面积在不断增大，使得桌面P 用SoC的晶体管数量从17亿到20亿个，而且单die也集成了更多的功能。

当前及未来（2000—未来），要从三个维度来思考未来的芯片：设计、制造、封测的协同优化，以探索晶圆级的单芯片的可能。

2 AI驱动的计算架构变革：实现计算和存储的融合

人工智能（AI）算法的能力取决于其网络模型的规模，这就意味着算法对于算力的需求增长是非常快的，每年大概超过10 倍。但芯片能够提供的算力增长大概一年只有1.1~1.5 倍，可见两者有巨大的差距。

这期间在芯片架构上也做过很多改进，从CPU到FPGA到GPU，性能上对于AI 处理有很大的提升，但最终无论是GPU还是CPU，广义上都是一个存算分离的架构，都需要读取存储芯片的值，然后执行计算，也就意味着都面临着存储墙和功耗墙这两个巨大的挑战。

因此现在也提出了很多新的架构：①近存计算的架构，即尽可能把处理单元放置在存储器的附近，以最小化由数据传输引起的延迟，功耗的损耗；②更激进的方法是用存储来进行计算，即存内计算（或称存算一体计算），这样就无需数据的搬运（如图2）。

图2 计算和存储架构的融合方案

以下介绍这两种架构这些年的发展。

2.1 近存计算

是面向特定应用领域的一种专用计算架构。现在产业上，如华为的达芬奇，Google TPU 属于这类架构。这类架构需要开发专用的互联存储的架构，并优化矩阵运算阵列，以实现大算力、高带宽、高效率以及低功耗。

但是近存计算的核心需要依赖一个非常大的片上存储，通常需要有100MB 以上。然而随着尺寸的微缩，存储密度的增加要落后于逻辑器件的增加，这意味着SRAM/DRAM的密度增加是趋于饱和的。

因此，未来要想使近存计算的能效以及算力进一步提升，除了存储器本身的进步以外，还需要在集成架构等方面的创新，例如wafer/die-to-wafer bonding，以及3D-IC、BEOL 晶体管和存储器的集成等技术。

与此同时，一系列具有新原理的器件也得到人们的关注。例如产业界和学术界合作的两类产品：用阻变存储器（RRAM）和磁存储器（STT-MRAM）来做近存计算，也取得了非常好的性能。

2.2 存内计算

也就是利用存储器来去进行计算。严格地讲，今天演变的有数字和模拟的。

以模拟为例，忆阻器件基于欧姆定理完成一次乘法，基于基尔霍夫定律完成一列累加。因为这样一个架构不需要数据的搬运，所以可以很好地提高能效。这类新器件发展非常快，从早期（2015 年）只有在器件和阵列上的概念的演示，到现在有片上的推理以及训练的芯片，其集成度、算力和能效都在快速地提升，未来也有望支持面向实际应用场景的认知和学习的任务（如图3）。

图3 存算一体的发展趋势

2.3 微电子所在近存计算架构上的进展

刘明院士所在的中科院微电子所团队与国内主要半导体制造商合作，在28和14 nm工艺节点实现了阻变存储器（RRAM）大规模阵列集成，开发了工业标准化高性能嵌入式存储IP，并联合产业界率先实现量产导入。整体平台和国际一流厂商相比，有相当的竞争力。

利用该工艺平台技术，刘明院士团队做了一些存内计算的尝试。首先在电路上做一些工作，来优化、规避这类存储器潜在的问题，最终实现了百万级的规模，能效在100TOPS/W，也可以支持矩阵向量乘法与矩阵转置等一系列操作。

图4 集成电路未来的发展（来源：TSMC，ISSCC 2021）

3 新器件、架构、集成技术的展望

集成电路发展从1958年诞生到今天，已有60 多年的历史，这期间，无论是在底层维度，还是架构、进一步提升集成规模上，都面临着非常多的挑战，但是都一步步地走过来了，所以只要人的创造力还在，集成电路的未来还是非常可期的。

3.1 FinFET的变迁

首先从器件角度看，22 nm时， 英特尔采用了FinFET的器件；但是对于大部分的代工产品，到了14 nm才是FinFET器件。FinFET也经历了几代演变，主要是把Fin越做越高，宽度越来越减薄（如图5），以提高它的密度和性能。

图5 器件结构的创新

但是发展到了一定的阶段也遇到了瓶颈：5 nm以下技术节点，较薄Fin很难进行外延，也就意味着载流子的迁移率开始变差，所以器件结构需要进一步地演变。下一步的演进就是把Fin水平地倒下来，就成了Nanosheet结构，有着更高的密度，可以实现更好的栅控能力。

这样的器件结构又遇到了问题，就出来了Forksheet及CFET等不同的结构。这些器件结构都可以更好地利用三维的尺度，向今天的3D NAND来学习。

集成电路在基础器件方面的尺寸的微缩，广义上是为了提高密度。而提高密度的同时，器件的微缩带来了性能的下降，就要通过材料和器件结构的创新来提升性能、降低功耗。

3.2 类脑计算

从计算架构的角度看，除了传统的冯式架构，还有近存计算和存内计算。如果向生物界学习，生物脑是怎么工作的？生物脑是功能化的网络拓扑，是由稀疏的脉冲的表达，同时它是大规模的并行计算，编码采用时空的信息编码。如果参考生物的脑，类脑芯片应该能够实现什么样的功能？

它应该是分布式的存储，多核心的并行，它的神经元应该是脉冲的神经元，它可以实现高通量的异步的脉冲的路由，稀疏的时空计算。如果有这样的功能，我们就不仅仅实现了存内计算的减少数据搬运，同时由于采用了脉冲驱动的异步计算，可以进一步降低功耗，同时时空关联的编码机制可以降低数据的冗余，实现动态的学习（图6）。

图6 类脑计算

进一步来看，未来如果借鉴于生物脑的结构和信息处理的方式，我们可以进一步降低 AI芯片的功耗，提高智能化。

但是这个领域还处于早期阶段，所以无论是算法、异步电路的设计、芯片的架构、工具链等方面还面临着诸多挑战。

3.3 Chiplet（芯粒）

在怎么提高规模上，我们现在靠传统的提高密度——当然这条路还在持续，但那种增加SoC芯片面积的路似乎已经遇到了天花板，我们可以采用另外一条路径，就是集成芯片：chiplet-based integration（图7）。

图7 集成芯片/Chiplet(芯粒)技术

通过这种技术，可把复杂的SoC 芯片首先分解成芯粒（chiplet），然后再采用半导体制造的技术，将不同的芯粒集成在一个硅基的interposer 上，以实现更复杂系统的集成和应用。

这种技术的优势是可以突破封装连线的极限；另外，现在一颗复杂的SoC芯片设计的周期是非常漫长的，也可以突破现在光刻的单die 的面积极限，最终可以实现异质的、非标的工艺的集成。

3.3.1 Chipet的历史

最早Chiplet 概念是由Xilinx（注：2022 年被AMD收购）在2011 年提出，Xilinx V72000T 采用4 颗相同的FPGA的颗粒，实现了2.5D集成2层堆叠。到了2016年，英伟达GP100 采用了2种芯粒(GPU+DRAM×4)，共5颗die，也实现了2.5D集成2层堆叠。2019年华为昇腾910采用了3种不同的芯粒（AI+DRAM+I/O），共6颗die实现了2.5D集成，也是2 层堆叠。2021年，英特尔Ponte Vecchio是一个非常神奇的结构，采用6种芯粒（AI+SRAM+DRAM+Base+Bridge）， 共有47颗芯粒，实现了3D的形成，是一个真正的3 层的堆叠。

可见，经过10 年的发展，集成芯片已经成为高性能计算芯片的一种关键技术，并且在朝着3D 多层堆叠、更多种类的芯粒、更大集成规模的趋势发展。

3.3.2 我国的部分研究进展

关于之前提到的存内计算，优势是能耗非常低，但也有显而易见的缺点——算力不够。如果借助于集成芯片技术，是否可以维持它的低能效，同时提高它的算力？刘明院士所在的复旦大学的团队研发的芯粒存算一体集成芯片，基于2.5D集成扇出工艺，实现了算力和芯粒数量的同步增长（如图8）。

图8 可扩展的存算一体集成芯片

2023 年起，国家自然科学基金委批复“集成芯片前沿技术科学基础”重大研究计划立项。这个项目围绕三个科学问题：①芯粒的数学描述和组合优化理论，②大规模芯粒的并行架构和设计自动化，③芯粒尺度的多物理场耦合机制和界面理论。

4 结束语

“什么时候摩尔定律终结？”刘明院士看到过无数的回答，也自问过这个问题该怎么回答。她最喜欢的答案是Mike Mayberry（笔者注：英特尔的首席技术官、实验室总监，原英特尔技术与生产事业部副总裁兼元器件研究总监）的回答：只要人类还有想法，就总能够使摩尔定律持续下去。

尽管我们今天面临了各种巨大挑战，包括底层的器件层面，电路架构层面，以及如何提高规模这种集成度的层面。但随着从底层器件、制造技术、架构以及基于chiplet的集成等不同维度的持续创新，摩尔定律一定能走下去。因为它本来就不是一个科学定律，只是一个经济观察的规律。

今天晶体管的数量是每个package（封装）里是100B，预计2035 年增加到1T。集成电路数量的大幅提升也必将推动计算进入Zetta 时代（如图9）。

图9 浮点运算次数与存储的路线图

用Robert Noyce（注：Fairchild 和英特尔联合创始人，商用DRAM和微处理器联合发明人）的话来结束这次讲演：不要被历史所拖累。去做一些美妙的事情吧。

（本文来源于《EEPW》2024.3）