国际半导体技术发展路线图更新版综述(三)

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3.2 测试和测试设备

3.2.1 2008年测试方面的变化

测试路线图在2008年的变化主要在测试并行性、存储器、混合信号和RF技术需求表等几个方面。

多测试位技术需求表已经明显改变，以便能够更好地和不断演化的器件需求相一致。高性能MPU器件在近期已经将测试并行性降低到x1，并且显示：并行性随时间快速提升的速度要慢得多。增加了新的“SoC测试并行性”一节，它无法和其它类别很好地结合在一起。低性能MPU和ASIC器件现在已经并入“低性能MCU”这一节。

存储器表改变了NAND I/O数据速率，以便反映路线图器件数据速率的加速提高。在2022年以前，NAND数据速率将达到533 Mb/s，这比2007年版路线图的I/O速率增加一倍。

很多个混合信号技术需求表目前已经给出了最高指标和中值指标，以覆盖极端情况下和典型情况下的技术要求。在表中还增加了描述特定目标应用的注释。RF技术需求表有一些可行性颜色的变化，这反映了未来几年内已有能力的变化；每个器件的RF端口数有所增加，这反映了更快的无线信号采用率。

3.2.2 2009年的发展方向

在“测试”和“设计”这两章中都更新了DFT相关的内容，并在这两章之间进行了划分，“测试”一章将包括对低成本测试的需求，而“设计”一章则讨论了实现方法。从2003版ITRS以来，DFT一直没有进行主要的修订。

对GHz接口测试来说，DFT在两个新的领域中取得了进展。在2008年，一些模拟参数BIST（例如抖动）取得了显著的进展。将研究用于系统级测试的DFT方面的改进，能够超越物理层达到更高的通信层。

“测试”一章已经从传统的CMOS器件发展到“More than Moore”器件，它可以包括多种技术。SiP器件带来了很多测试方面的挑战，必须要以“SiP驱动的解决方案”的形式来解决，并作为“More than Moore”推动未来工业界发展的主要指示器。SiP的极端情况是3D硅结构，它需要很多通孔来对芯片进行连接。需要能够有效定义划分方法和测试策略的解决方案。

使用适应性测试方法来降低整体测试成本，将成为2009年的关注焦点，在2009版ITRS中，将增加“系统测试”一节。

3.3 工艺集成、器件和结构

在本版更新中的主要变化是：加入ORTC采用的新的物理栅长（Lg）按比例缩小模型，以反映我们最近的调查结果以及逆向工程发现的结果。这些新的按比例缩小模型与2007年ITRS预测的Lg按比例缩小相比，速度有所减慢。因此，高性能技术CV/I每年17%的速度提升也随之减缓。相应地，UTB FD和DG结构的引入也相应放缓。在这一版更新中，UTB FD结构将在2013年开始引入，而DG结构在2015年引入，用于所有的高性能、低运行功耗和低待机功耗技术。另一个修订是将高κ金属栅的引入时间从2008年推迟到2009年，以反映现实情况。

每种器件类型的具体变化如下所示：

高性能逻辑电路技术（表PIDS 2a-b）：

物理栅长Lg按比例缩小放缓至3 - 5年，斜率有所变化；

在“前端工艺”和“工艺、器件和结构”这两章中的一些共同参数有所改变，以保证完全的一致性。这些参数是：1）物理EOT；2）栅漏电流；3）迁移率增强系数；4）寄生S/D电阻。对于漏电流，只需要2位有效数字，这已经达成了共识。

据观察，在新的Lg按比例缩小模型的情况下，CV/I速度指标的变化斜率为大约每年13%，而不是每年17%。这个速度需求将是2009年ITRS讨论的主要课题。

低待机功耗技术（表PIDS 3a-b）

ORTC提出的物理栅长变化是较小的，而整体趋势和斜率的变化仍然保持类似水平。

低运行功耗技术（表PIDS3 c-d）

ORTC提出的物理栅长Lg按比例缩小放缓了1 - 3年，斜率有所变化；

在“前端工艺”和“工艺集成、器件和结构”两个技术工作组间取得了共识，对一些参数进行了修正：1）物理EOT；2）栅漏电流。

表PIDS 5a-b：非易失性存储器

对2007版中的一些不一致之处进行了小的修订。

所有其它的技术需求表都没有变化，与2007版ITRS相同：表PIDS1 a-b工艺集成的困难和挑战；表PIDS4 a-b：DRAM技术需求表；表PIDS6：可靠性技术的困难和挑战；表PIDS7 a-b：可靠性技术需求表。

3.4 用于无线通信的射频与模拟/混合信号技术

3.4.1 总结：2008年无线技术的现状-ITRS展望

射频（RF）和模拟/混合信号（AMS）技术为快速增长的无线通信市场服务，并代表了对很多半导体制造商的成功至关重要的关键技术。通信产品正在成为量产制造的关键驱动因素，而消费电子产品则占据了半导体需求的一半以上的份额1。无线通信市场的消费产品部分对成本十分敏感。目前，有多种不同技术都能够满足技术需求，因此，面市时间和整体系统成本将主导技术的选择。

注释1：P. H. Singer, "Dramatic Gains in Performance on the Horizon," editorial in Semiconductor International, Vol. 29, No. 8, 29, July 2006, page 15.

RF和AMS技术工作组的工作范围和2007版ITRS相同。对无线收发器IC的需求是对近期的ITRS定义的“More than Moore”有重要贡献的技术驱动因素。RF和AMS技术工作组有5个子工作组。其中，4个子工作组包含超过10 GHz的应用：CMOS器件、双极型器件、无源器件、功率放大器（PA）和MEMS。毫米波应用的第5个工作组专注于收发器IC中使用的III-V族化合物半导体和硅基的半导体器件的功率和低噪声需求。

RF和AMS技术路线图的某些内容反映的是原型的能力，而不是在ITRS的其它章那样反映的是量产制造的能力。生产需要的是市场。但是在某些新兴应用中，例如毫米波连接和成像应用，当前的市场落后于路线图所预测的技术能力。

对CMOS器件来说，2008年的技术需求表继续以前的趋势：高性能RF和低待机功耗CMOS器件相比，具有1年的落后，而毫米波CMOS高性能CMOS器件相比有2年的落后，对RF模拟参数进行调整，以反映2008年ORTC的更新；在精密模拟电路技术需求表中，校正了1/f噪声；更新了毫米波噪声因子，以便和发表的数据相一致；增加了94 GHz的技术需求。

对双极型器件，有一些小的调整，包括对高速双极型器件的ft/fmax的可行性颜色进行了调整，并且对功率放大器用的双极型器件需求进行了更新，以便和已发表的数据相一致。

对无源器件来说，2008年技术需求表更新了MIM电容器密度的数据，以便和近期发表的数据相一致，同时更新了可变电抗器的Q值、电感器的Q值；调整了功率放大器的无源元件可行性颜色以反映新的电感器数据和更低的电容器密度需求，以反映实际应用的需求。最大的困难和挑战仍然是如何将无源元件和数字CMOS工艺集成到一起，并在工艺成本和器件性能之间取得折衷。

对功率放大器来说，表中数值显示：电池的寿终电压2.4 V将被继续延续至未来的技术代。这部分是由于几乎固定的电池电压和耐用性需求将会使技术演化的步伐放缓。

对MEMS器件，增加了7个新的器件种类。正如2007版ITRS所述，技术需求表包括以下4类器件：1）BAW；2）谐振器；3）具有电容性接触的开关；4）具有金属接触的开关。然而，每种器件都将在2009版ITRS的“RF和AMS”一章中进行更详细的讨论。将新增特殊性能和成本驱动应用。同时，将澄清对设计工具的需求。

对毫米波应用来说，技术需求表显示：绝大多数的III-V族化合物半导体工艺的几何尺寸的按比例缩小将被延迟1 - 2年。这个延迟和工业界的整体趋势是一致的。同时，RF和AMS路线图反映了从GaAs PHEMT到替代性的III-V族化合物半导体技术转化的技术。

3.5 新兴器件研究

3.5.1 新兴器件研究的2008年更新

在2008年底以前，ITRS的“新兴器件研究”技术工作组将召开5个面对面的研讨会（或论坛）以及工作组会议；在2009年3月将召开第6个研讨会。这些研讨会和工作组的目标是对当前的纳米电子概念和技术的现状进行评估，包括架构方法。美国国家科学基金会在财务上支持了这些研讨会，如下表1所示。“虚拟浸没架构（Virtual Immersion Architectures，VIA）”论坛是由SRC和ITRS赞助的，并且NSF和Sandia国家实验室也共同赞助了这个论坛。

本文将专注于其中的两个会议：2008年7月10日-11日召开的VIA论坛，和2008年7月12日-13日召开的“对选定的‘超越CMOS技术’的成熟性的评估”研讨会和ERD/ERM技术工作组会议。

VIA论坛的目的是：考虑在2020年时间框架以前，半导体技术对虚拟浸没架构（VIA）的影响。

“对选定的‘超越CMOS技术’的成熟性的评估”研讨会及随后的技术工作组会议的目的是：评估7种“超越CMOS”的技术能否推动信息技术在2022年以后继续发展，并且判断它们是否准备好加速研究和开发活动。候选的待评估技术包括：1）纳米机械开关和FET；2）自旋转移磁矩逻辑电路；3）集合的强相关多电子自旋器件；4）基于碳的纳米器件；5）原子/电化学金属开关；6）单电子晶体管；7）CMOL/FPNI。

3.5.2 虚拟浸没架构论坛的小结

虚拟世界是一个合成的、计算机生成的和精炼的环境。在这个环境中，一个远程可控的终端，称为“avatar”，可以移动并且和其他的、作为其他用户的的终端交互作用。信息处理技术的这种应用正在娱乐领域中快速增长，并在应用空间中开始得到应用。终端用户将“虚拟地浸没”在这些合成的世界中。这个论坛最感兴趣的内容是2020年半导体技术预期对虚拟浸没系统的可能的影响。讨论主要集中于计算机架构，但是也强调了显示、软件、互连系统、通信系统和计算的热力学限制等因素。

多核架构很有可能对未来的VIA系统起到很重要的作用。当前，计算机架构有两种不同的发展方向，每一种都部分地应对了VIA的需求。另一方面，通用的多核处理器（GPU）预期能否处理多任务应用，例如传感器输入界面、和服务器之间的通信、物理模拟等。在2020年以前，可能这两类处理器将会合并为一类，使得半导体技术在这个时间框架之内更有优势。支持物理模拟的GPU的出现可能是这种趋势的第一个指示器。在任何情况下，GPU和CPU架构的编程环境，对某些汇总的架构来说，将继续获得关注。此外，创建虚拟世界本身的软件环境也需要更多的关注。因此，即使硬件架构在2020年时间框架之内合并为一类，集成的软件环境的开发也是一个未曾应对的困难，说不定还是一个重大发展障碍。

一个关注的领域是VIA应用越来越流行，它推动了全球能耗的大幅度增长。对单位能量更大的计算吞吐率的强调不仅限于台式机，而且也适用于手持式设备。在手持式设备中，仅有极少的能量可用于信息处理，而如果要实现更广泛的应用的话，还需要消耗的每焦耳能量能够实现更高的性能。这两个趋势都意味着计算性能，对某些适当的指标，必须要在2020年以前增加1-2个数量级。这提出了一个问题：每焦耳能量能实现的最高性能有多大？并建议在信息理论和热动力学之间建立起联系。对四指令单比特处理器的一个近似的、基本原理性的分析显示，CMOS技术和传统计算架构能够实现小于30%的运行效率。能够对工作量自适应的架构可能实现高能效运行，它可能能够提供具有单位能量更高性能的替代性方法。

3.5.3 对选定的“超越CMOS技术”的成熟性的评估的小结

2008年7月12日召开的研讨会以及次日召开的ERD/ERM工作组会议，都推荐国际路线图委员会将碳纳米管、石墨烯和石墨烯纳米带加入到“基于碳的纳米电子器件”，以加速发展并制定更详细的路线图，作为未来5-10年内有前途的技术来展示。

对下面7种选定的技术的每一种，研讨会的参与者们做了如下工作：

接到了专家们对每种技术的潜力和就绪程度的输入材料，这些技术都是用于将信息处理技术扩展至2022年CMOS器件可能达到其极限之后。专家的输入包括两个演示报告，一个来自于“支持者”，另一个来自于“友好的批评者”。一个第三方参与者对来自专家和研讨会及会议参与者的输入材料进行总结。这个讨论用于对每种技术的当前的状态、潜力和面临的困难进行澄清，以求实现信息处理的新方案。

研讨会制定了关键路径的讨论/决策点，在研讨会以后的工作组会议中继续研究。

ERD/ERM工作组在他们的周日会议中考虑是否7种候选技术中有一种或几种已经准备好可以加速研发及准备更加详细的路线图。

七种技术中的每一种都有潜力，在某些情况下，都有提供2022年以后超越CMOS器件按比例缩小的最终极限的信息处理技术新方案的合理前景。这些技术在下面进行了总结。

这个研究的最终结果是：ERD/ERM技术工作组选择基于碳的纳米电子器件作为它们推荐的“超越CMOS器件”的技术，用于推动技术的加速发展，并为2009年ITRS路线图的更加详细的版本做好准备。

3.5.4 附录：技术概述

“虚拟浸没架构”论坛的重要信息

芯片架构

信息处理应用的范围从很难处理的并行应用到难以实现的串行应用都有，在评估多核系统能够获得的平均性能提升时，我们需要理解这种分布。

VIA A系统需要处理大量的数据，并且向个人用户快速地、高能效地、可靠地提取和传送基础信息。

VIA信息处理可能不需要提取精度，因此，可能会从随机计算的理念中受益，以降低能耗。

在常规的VIA系统中，每个用户消耗大约500 W的功率；当巨量的用户互动时，这不是一个能维持的功率水平。必须要在信息处理的所有层次上开发能效更高的计算平台。可能一个对半导体技术有用的指示器是：晶体管数/cm2除以消耗的能量。这将给出对技术的能量效率的一些判断。

通信

用于移动应用的“智能无线电（能够适应性地最大化使用可用的频谱）”的概念有改善前景，十分引人注目。

在典型的移动应用中，只有大约（总共3瓦中的）1瓦才能被用于计算。以MIPS/m-W计算的增益达到100左右，以支持未来的移动应用。

无线设备的爆炸式增长（预计到2017年达到7万亿件）和传感器的前所未有的增长，催生了社会信息系统（Social Information System，SIS），它将使用具有整体结构的一个传感器群，和大量的移动设备通信，并和主干计算基础设施相连接。从无线系统快速增长的角度来看，高能效意味着必须要首先考虑使用可用的频谱。

互连系统

三维结构提供了有吸引力的技术方法，用于提高存储器带宽，实现高性能图形应用。

互连系统性能可能最终将限制能够在一个芯片中加入的芯核的数量。

用户界面

视频是新的尚待开发的领域，它将以很多不同的形式存在，从巨型屏幕，到衣袋的尺寸，从回放型的设备，到互动式设备等。

虚拟浸没技术将使我们的感官超越传统的视觉和听觉领域。

非常迫切地需要以人为中心的指标，用以提高VIA系统的质量和性能。需要解决用户的感官通路的问题，并且是可量化的/可量测的，这样，工程系统可以系统地进行设计。不取得这些指标的代价是：VIA系统将会被过度设计，并消耗比需要的最小功率更高的能量。

软件

支持虚拟浸没（VIA）的信息处理技术硬件的开发正在迅速进行中，但是软件方面的进展已经落后了。

我们如何才能突破多核机器的软件瓶颈？可能使用板上的CAD系统来对处理器进行配置以便能高效地在目标机器上运行一个应用，这是一个好主意。软件瓶颈是一个需要共同努力的领域，以便获得重大的进展。

限制

为了增加计算的能量效率，信息处理架构应该从热动力学的角度来设计，这是由于计算机和热力发动机也有相似的地方。例如，信息处理架构可能会进行优化，以使计算的能效最大化，即，每焦耳的能量做“最大可能的功”。这意味着信息处理中“功”的概念需要被重新定义，以便和热动力学分析相一致。

最小图灵机（the Minimal Turing Machine）是一个有用的抽象，以便对计算机的性能曲线进行量化的分析。这个概念可能会帮助获得计算引擎的卡诺等效（Carnot’s equivalent）。

一维器件（例如纳米线晶体管）可能有潜力减少需要的电子数，因此会减少能量的使用。

看起来器件的按比例缩小可以继续缩小到电子极限（~5 nm）以下，至少在理论上是这样。在5 nm以下，我们需要质量超过电子的粒子。近来的“原子开关”概念显示了不错的前景。

“对选定的‘超越CMOS技术’的成熟性的评估”研讨会

纳米电机械开关和纳米电机械FET都提供了S

自旋转移磁矩技术是一种新兴的很有前途的非易失性存储器应用的方法，它有可能增加比特密度，并且降低静磁RAM或MRAM可实现的功耗。然而，它的开关速度较慢，因此它作为超越CMOS的高度可按比例缩小的逻辑电路应用是很困难的。

集合的强相关多电子自旋器件（Collective Strongly Correlated Many-electron Spin Device）技术是材料科学的一个非常有潜力出成果的领域，在某些情况下，它可以在多铁性材料中将铁电和铁磁参数耦合在一起。将这种技术应用于信息处理方面的一个重要进展是：展示通过“自旋波”作为信息载体或特征的自旋传输，而不需要伴随的电荷传输。这需要保持自旋波的自旋态的相干性，但是避免了与电荷的空间移动相关的所有限制。尽管这个进展比较重要，但是，使用自旋波来增加功能密度并没有显著的优势，这是因为它需要较大的波导。同样，自旋波是较慢的，比光波慢103倍。

基于碳的纳米电子学有较大的优势，这是因为用于MOSFET应用的CNT和GNR的加速发展推动科学技术的进步，它可以提供探索和开发向“超越CMOS器件”的信息处理技术转移所需的新材料中的新的物理现象的坚实基础。基于碳的纳米电子技术可以分为两个相关的课题：碳纳米管和石墨烯。基于一层或多层sp2键合的碳原子以形成单壁或多壁的各种不同手征的圆柱体的碳纳米管，可能是金属性的，或是半导体的。对用于MOSFET应用的碳纳米管的研究显示，碳纳米管具有非常出色的电子传输特性，在相当长的距离上展示了弹道传输特性。使用垂直的MOSFET中的圆柱形的碳纳米管可以实现理想的MOSFET结构，“环绕栅”晶体管可以提供对沟道静电荷的接近理想的栅控制。这将使短沟效应（例如DIBL效应）最小化。碳纳米管也和带间隧穿的MOSFET一样，可以提供S

原子/电化学金属化开关和它们的衍生技术的工作原理是通过导电丝的生成和消失来实现电学的通/断，它是可按比例缩小的，并且对高密度非易失性存储器应用是非常有吸引力的。它们和CMOS/CMOL架构相兼容，并需要相对简单的制造工艺。主要的应用方面的困难是缺乏增益机制、相对较慢的开关时间（1-10 ns），以及低功耗运行可能会有问题。

单电子晶体管通过每次从源端向量子点中转移一个电子然后从量子点中转移一个电子至漏端来完成操作，这两种转移都是通过栅电压控制的库仑封锁（Coulomb blockade）机制来调控的隧穿过程来实现。尽管是使用和量子点间的电子隧穿效应来工作，单电子晶体管的行为和MOSFET非常类似，它实现的是电压态的逻辑。这个库仑封锁机制也可以用于实现电荷态逻辑，它使用的是在量子点间转移电荷的机制。电压态逻辑（SET和MOSFET集成在一起的逻辑）所面临的一个挑战是：由背景电荷造成的随机波动造成的Vth波动。另一个问题是：缺乏具有可接受的控制性和按比例缩小性的制备工艺。与电荷态逻辑相关的两个重要问题是：1）错误率高，因此需要新的错误校正技术；2）需要时钟来保持数据的单向流动。

CMOL及其相关的技术，FPNI（Field Programmable Nanowire Interconnect，现场可编程纳米线互连），被建议用于可靠地将嵌入到交叉结构纳米线的纳米级可变电阻器件和大得多的CMOS栅集成在一起，并且不需要纳米级的对准精度。CMOL建议用于提供存储器和逻辑电路功能，而FPNI则用于提供对基础的CMOS芯片进行编程的开关。对CMOL方法的研究是由“友好的批评者”为这个研讨会准备的。研究显示，和现有的CMOS FPGA相比，CMOL技术能够提供100-400倍的密度优势，速度降低约1/10，但是和CMOS ASIC相比，CMOL无法提供栅密度或性能的优势。因此，CMOL和FPNI可能会提供密度的优势，但是对功率和速度来说，却未必是非常好的解决方案。此外，CMOL的制备是非常困难的（如果不是不可能的话）。相反，FPNI的制备看来是可实现的，但是，FPNI只能提供有限的功能性。总之，CMOL/FPNI提供了2022年以后继续扩展CMOS技术的诱人的可能性，但是它看起来不能提供应对“超越CMOS器件”的信息处理技术。

3.6 新兴材料研究

2008年，“新兴材料研究（ERM）”技术工作组没有对2007版的“新兴材料研究”这一章进行任何改动。在2008年，技术工作组专注于开发关键的评估过程，并考察对2007版ITRS“新兴材料研究”一章的技术需求的可能的解决方案方面取得的进展。基于ERD/ERM联合研讨会对有前途的器件技术的讨论，在2009年的“新兴材料研究”一章中，ERM工作组将增加用于极端的CMOS器件和超越CMOS的器件应用的石墨烯和碳纳米管的评估的关注。

“新兴材料研究”一章是ITRS的新章节，在2005版和2006版ITRS中，它是“新兴器件研究”中的一节。2005-2006版的“新兴材料研究”的讨论范围是对“新兴器件研究”的支持，但是现在，“新兴材料研究”这一章也评估了用于光刻、前端工艺、互连、装配和封装应用的新材料。新兴材料研究也调研了支持计量、建模、环境安全和保健等领域内可能应用的新材料。

低维度材料，例如纳米管、纳米线和其它纳米颗粒，有可能提供新兴器件、光刻、前端工艺、互连、装配和封装的可能的解决方案。新的高分子材料有可能应用于新兴器件、光刻、前端工艺、装配和封装。自装配的材料有潜力应用于光刻、装配和封装应用中的高电荷密度电容器，和前端工艺中的选择性淀积或刻蚀工艺。新兴器件应用最感兴趣的材料是自旋材料。复杂金属氧化物有潜力应用于新兴存储器和逻辑器件。一套特殊的复杂金属氧化物、强相关的电子态材料和它们的异质界面，都有潜力实现具有耦合自旋和电荷特性的新的逻辑器件。在“困难和挑战”表中，强调了计量、建模、环境、安全和保健所需的材料方面的挑战。