如果你認為英特爾的幫派是摩爾定律的最大擁護者，你可能沒有聽過菲利普·黃（Philip Wong）對這個主題的闡述。Wong是台灣半導體制造公司（Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp）企業研究副總裁，他在最近的Hot Chips會議上發表了演講，他聲稱摩爾定律不僅活得很好，而且有了正确的技術技巧，它将在未來三十年保持可行性。
“它沒有死，”他告訴Hot Chips與會者。它并沒有放慢速度。它甚至沒有生病。
在Wong的講述中，維持摩爾定律唯一重要的是不斷提高密度。雖然他承認時脈速度已經随着Dennard縮放的死亡而趨于穩定，但半導體密度将實作更好的性能和能源效率。
最終，如何實作這些更高的密度并不重要。根據Wong的說法，隻要公司能夠在更小的空間内以更高的能源效率提供更多的半導體，這才是最重要的。在短期内，這可能會以老式的方式實作，即通過改進CMOS工藝技術，以便制造栅極長度較小的半導體。
台積電目前正在蝕刻7納米半導體，并正在向5納米邁進。Wong說，5納米節點的設計生态系統現在已經準備就緒，他們已經開始了風險生産 - 也就是說，工藝節點和設計工具已經完成，并且正在生産可行的晶圓。在上一次财報電話會議上，台積電表示計劃在5年上半年開始量産2020納米晶片。顯然，台積電甚至有一個 3 納米的節點正在籌備中。
但所有這些技術都是基于建構平面晶片，Wong承認這種方法最終将停止擴充。“如果你通過二維縮放，我們減少到幾百個原子，很快我們就會用完原子，”他解釋說。
但這并不意味着密度的終結。他指出，半導體制造中有許多創新，即使在Dennard規模結束後，密度仍保持在上升曲線上。特别是，出現了應變矽和高k金屬栅極技術的使用，其次是FInFET（鳍狀場效應半導體），它引入了3D結構。現在，正在探索一種稱為DTCO（設計技術協同優化）的技術，以将半導體推到7納米以下。
所有這些創新之是以發生，是因為必須為需要更快、更節能硬體的應用程式開發新的計算平台。這種演變跨越了 1970 年代的小型計算機、1980 年代的 PC、1990 年代的網際網路以及現在的移動計算。每一個都通過半導體制造的改進推動了對更高密度的需求。Wong認為下一個重大推動力将來自人工智能和5G。
那麼，需要哪些創新才能讓摩爾定律黨繼續下去呢？
在短期内，使用小晶片建構2.5D結構的多晶片封裝将增加整體計算和記憶體密度，即使晶片本身沒有變得更密集。Wong說，這已經使得單個小晶片的工藝節點不如能夠将這些元件內建到同一個封裝中重要。
台積電擁有自己的2.5D封裝版本，采用基闆上晶圓晶片（CoWoS）技術。（英特爾的嵌入式多晶片互連橋接器，簡稱 EMIB，是一種競争封裝技術。CoWoS 通過将小晶片和合适的存儲器件安裝在矽中介層頂部并使用矽通孔 （TSV） 連接配接它們，進而實作多晶片封裝。對于本出版物的讀者來說，最值得注意的CoWoS實作是Nvidia的Tesla V100 GPU加速器，它将GV100 GPU與高帶寬記憶體（HBM）子產品打包在一起。但是，更廣泛的內建，以及更多的小晶片正在從英特爾，AMD和Xilinx開始。
但是2.5D隻能帶你到密度方面。更具可擴充性的解決方案将需要真正的3D封裝技術。為此，Wong說我們最好的選擇是N3XT，這是一種基于新納米材料和記憶體和邏輯的細粒度內建的3D單片設計。N3XT代表納米工程計算系統技術，自2015年以來一直在學術界徘徊，但像台積電這樣的公司顯然認真對待它，它很有可能被商業化。
Wong扔了一張幻燈片，展示了這種裝置的原理圖。它由高能效邏輯（黃色）、高速存儲器（紅色）和高容量非易失性存儲器（綠色）層組成，以交錯方式堆疊在一起。所有這些都位于傳統的矽邏輯晶片（紫色）上。
關鍵是将這些不同的元件與稱為ILV的東西連接配接起來，ILV代表層間通孔。與微米級TSV不同，ILV可以在納米級尺寸上形成。雖然這是N3XT技術中極其重要的部分，但Wong對此沒有太多可說的。顯然，ILV是台積電一直在努力的事情，并且圍繞它有許多專利申請。
對于這些3D封裝，交錯存儲器和邏輯非常重要，因為它減少了它們之間的距離，這将使提供AI和5G等應用所需的高帶寬，低延遲通信成為可能。使用CMOS，不可能将存儲器與邏輯交錯，因為邏輯半導體需要大約1，000攝氏度的溫度才能正确蝕刻，這會在制造過程中破壞相鄰元件。相反，您需要可以在 400 攝氏度左右放置的東西。
碰巧的是，過去幾年一直在研究的新材料似乎适合在相對較低的溫度下制造高性能半導體。與當今用于半導體的塊狀矽基材料不同，它們是過渡金屬硫族化合物（TMD），其基于钼，鎢和硒等元素。
TMD材料還顯示出高載流子遷移率 - 即能夠輕松地将電子通過它們 - 但通道很薄。友善的是，如果您正在建構小于兩到三納米的半導體，這些是您想要的屬性。Wong說，台積電在實驗室裡用二硫化鎢制造了實驗性的TMD晶圓。
另一種納米候選材料是碳納米管。已經制造出具有良好半導體行為的實驗版本，Wong說。事實上，基于碳納米管的邏輯和SRAM器件的工作原型已經建成，包括最近麻省理工學院研究人員的RISC-V實作。
在記憶體方面，Wong表示，3D內建最有可能的新候選者是自旋扭矩傳遞磁性RAM（SST-MRAM），相變存儲器（PCM），電阻RAM（ReRAM），導電橋RAM（CBRAM）和鐵電RAM（FERAM）。它們都具有随機通路的關鍵屬性，非易失性裝置在寫入前不需要擦除。其中一些已經商用，包括Everspin的MRAM，三星的嵌入式MRAM，Crossbar的ReRAM和英特爾的3D XPoint（大多數人認為是PCM的變體）。
研究人員模拟了N3XT裝置的性能，并将其與在邏輯和存儲器容量方面配置類似的傳統二維晶片進行了比較。根據他們的研究，使用各種機器學習推理基準，N3XT 裝置的效率在 63 倍到 1，971 倍之間，是他們的 2D 競争對手。
所有這些聽起來都很有希望。但Wong沒有詳細說明這些技術将如何在未來30年内維持摩爾定律的改進速度。例如，切換到新的納米材料基本上将提供相對于2D元件的半導體密度的一次性提升。最終，你也會在這裡遇到原子極限。
從理論上講，如果每3個月可以将18D裝置的堆疊高度增加一倍，那麼從房地産的角度來看，您至少可以實作密度的提高。當然，對于移動和其他嵌入式裝置來說，這将很快變得笨拙，即使對于資料中心計算機，也隻需要七到八代就可以達到12英尺的天花闆。
為了使其工作數十年，Wong演講中未提及的其他技術創新将不得不開發，以保持摩爾定律軌迹的密度。但是，如果你是像台積電這樣的晶片制造商，你必須相信研究人員将提供源源不斷的此類候選技術，這些技術隻需要新的、要求更高的應用的推動來刺激商業化。如果以史為鑒，這些應用肯定會到來。