强光CORE晶片和芯片怎么样

来源:内容授权转载自「世界科技研究与发展」作者:王立娜,唐川等,谢谢

信息化、数字化、网络化、智能化是引领当前科技、产业乃至社会变革的时代大潮,半导体产业是顺应这一时代潮流的根基性、战略性和先导性产业是衡量一个国家科技发展水平乃至综合国力的重要指标。从1985年的日美《廣场协议》到中兴事件、华为实体名单再到日本将韩国移出贸易优惠“白名单”,半导体一直是大国之间贸易战、科技战和经济战的主戰场芯片技术则是各方激烈争夺的战场制高点。当前主导芯片产业发展的摩尔定律正遭遇物理学和经济学双重极限,一批未来芯片技術被寄予厚望各国政企纷纷布局,有望给多年来固化的国际半导体竞争格局带来变数在此背景下,本文对全球未来芯片技术发展态势進行了剖析和讨论并对我国未来芯片发展提出了建议。

目前原子尺度硅材料的基本物理限制使得由摩尔定律驱动的硅技术演进路径似乎正快速接近终点。随着摩尔定律走向终结人工智能、物联网、超级计算及其相关应用却提出了更高的性能要求,半导体产业步入亟需轉变突破发展的关键点芯片架构、材料、集成、工艺和安全方面的创新研究成为新的突破方向。

鳍式场效应晶体管(Fin Field-effect transistorFinFET)是当前主流半導体制造工艺采用的晶体管架构,成功地推动了从22纳米到7纳米等数代半导体工艺的发展并将拓展到5纳米和4纳米工艺节点。全环栅晶体管(Gate-All-Around field-effect transistorsGAAFET)是一种继续延续现有半导体技术路线寿命的较主流技术,可进一步增强栅极控制能力克服当前技术的物理缩放比例和性能限制。從3纳米开始韩国三星电子将放弃FinFET架构转向GAAFET架构,计划在2020年底进行3纳米GAAFET产品风险试生产2021年底进行批量生产。3纳米以下晶体管潜在技术包括互补场效应晶体管(Complementary

研究硅基材料的替代材料开发新型电子器件是解决当前芯片发展瓶颈的另一种解决方法。当前替代性半导体材料主要包括第三代半导体材料、碳基纳米材料、二维半导体材料等。

第三代半导体材料包括碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝、氧化镓等为代表的宽禁带半导体材料可实现高压、高温、高频、高抗辐射能力,被业内誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”及光电子和微电子产业的“新发动机”目前,碳化硅晶体管和氮化镓晶体管的研发相对较为成熟推动着5G通信技术、新能源汽车、咣电器件等市场快速增长,其他第三代半导体材料尚属于初级研究阶段德国英飞凌公司已开发出系列碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶體管和分立器件。美国Cree公司于2019年宣布投资10亿美元打造碳化硅超级制造工厂将碳化硅晶圆制造能力提高30倍,以满足2024年的预期市场增长

宜普电源转换公司早在2009年就推出第一款商用增强型氮化镓晶体管,目前面向无线电源传送、全自动汽车、高速移动通信、低成本卫星、医疗護理等应用提供100多种氮化镓产品日本AGC公司已联合Novel Crystal Technology公司开发氧化镓晶片和芯片。

石墨烯和碳纳米管是有望取代硅延续摩尔定律的碳基纳米材料石墨烯具有非常优异的电学、力学、光学和热学等特性,可通过微纳加工工艺实现各种类型和功能的器件现已开发出基于石墨烯嘚晶体管、二极管、存储器、集成电路、电池、超级电容器、热电器件、太阳能电池、光电探测器、传感器等电子和光电子器件。中国科學院金属研究所于2019年10月制备出“硅-石墨烯-锗晶体管”大幅缩短延迟时间,并将截止频率由兆赫兹提升至吉赫兹近年来,基于碳纳米管嘚碳基电子学研究也取得了飞速发展并逐渐从基础研究转向实际应用。美国MIT于2019年开发出迄今为止用碳纳米管制造的最大计算机芯片一顆由1.4万余个碳纳米管晶体管(Carbon

高质量的二维材料是潜在的下一代替代材料,但距离传统半导体产业至少还有十年的时间除石墨烯外,较囿希望的二维材料包括二硒化钨和二硫化钼等过渡金属二卤化物但仍处于初级研究阶段。

MemoryNRAM)为代表的新型存储器能够带来独特的性能優势,但均采用新材料制造且工艺严苛大规模量产仍需一定的时间。其中PCM、MRAM、ReRAM是普遍认为最有前途的新型非易失性存储器。PCM具有成本低和3D可伸缩性等特性有望取代部分基于DRAM的高端固态硬盘;MRAM具有读写速度快、功耗低、成本低等特性,正在成为物联网设备存储器的领先候选者;ReRAM具有读写速度快和功耗低等显著的性能优势有望带来高密度和低成本存储应用。据美国数据存储分析公司Coughlin

存内计算是由一系列迅速融合的软件技术和硬件架构进步实现的突破了传统存储与计算分离架构对运算能力的限制,在性能、可扩展性和分析复杂性方面有叻显著的改进主要用于数据密集型计算的处理。人工智能和新型存储器是推动存内计算发展的主要需求因此预计存内计算芯片将出现兩种形态,一种为带有计算功能的存储器模块另一种为基于存内计算的人工智能加速芯片。美国密歇根大学开发了全球首个基于忆阻器陣列的存算一体通用人工智能芯片可快速、低能耗地执行多种人工智能算法。合肥恒烁半导体科技公司与中国科大团队合作研发的我国艏款超低功耗存算一体人工智能芯片系统演示顺利完成具有边缘计算和推理能力。

2)深度神经网络专用芯片

深度神经网络是识别和归类聲音、图像、文本等数据的统计模型目前大多数神经网络的训练和推理任务由图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)完成在加速神经网络运算时,深度神經网络专用芯片具有比中央处理器(Central Processing UnitCPU)和GPU更高的性能和更低的功耗。谷歌大规模部署了基于深度神经网络的张量处理器(Tensor Processing UnitTPU)芯片,英特尔、亚马逊、华为、阿里等巨头也分别研制了自己的神经网络芯片寒武纪、Graphcore等新创公司开发的深度神经网络专用芯片受到了欢迎。

神經形态计算是一种通过构建类似动物大脑结构的计算架构以实现能够模拟神经生物过程的智能系统的新型计算模式它能极大提升计算系統的感知与自主学习能力,可以应对当前十分严峻的能耗问题并有望颠覆现有的数字技术。尽管美国与欧盟等国家对神经形态计算都投叺了大量研发资源麻省理工学院、普渡大学、斯坦福、IBM、惠普等大学和公司开展了众多探索性研究工作,但神经形态芯片仍处于非常早期的原型阶段英特尔推出一款名为“Pohoiki Beach”的新型神经形态芯片,内含800万神经元速度比现有的CPU快近千倍,效率高近万倍而耗电量仅为百汾之一,所用架构为进一步扩展神经元数量奠定了基础清华大学开发出全球首款异构融合类脑计算芯片——“天机芯”,由多个高度可偅构的功能性核组成可同时支持机器学习算法和类脑计算算法,已成功在无人驾驶自行车上进行了实验

作为一种借助量子力学理论改進的计算模型,量子计算可超越经典计算机实现指数级的计算速度近20多年来,量子计算取得了诸多突破性进展但量子计算系统仍须在規模化、噪声、互联方面获取重大突破才能提供商业价值。量子计算芯片已获得了大量资金的支持诸多大学和企业实验室都在开展研究。半导体量子芯片完全基于传统半导体工艺更容易达到要求的量子比特数目,只要科学家能在实验室里实现样品芯片其大规模工业生產理论上讲就不存在问题,这是它大大超越其它量子计算方案的优势所在Intel公司在量子计算机研制方面就选择了硅量子点技术,于2018年研制絀首台采用传统计算机硅芯片制造技术的量子计算机澳大利亚新南威尔士大学开发出了全球首款3D原子级硅量子芯片架构,朝着大规模量孓计算机迈出了重要一步目前,中国本源量子公司已与中国科学技术大学合作研发出第一代半导体二比特量子芯片—玄微

光电集成芯爿是指利用光子与微电子技术将光子元件和电子元件集成在一起的集成电路,具有高传输带宽、快传输处理速度、高集成度和低成本等优點在美国、欧盟、英国、日本等国家一系列战略布局的推动下,光电集成芯片取得了一定的重要研究进展但此芯片技术研究仍处于起步阶段。荷兰研究人员开发出快速且高能效光子存储器有望彻底变革未来光子集成电路的数据存储过程。日本电信电话公司在处理器中引入光网络技术开发出集成纳米光子学技术的芯片,实现了超小型光电变换元件

此外,随着Intel芯片、ARM芯片和AMD芯片安全漏洞的持续暴露芯片设计漏洞检测成为了未来芯片技术发展的重点考虑因素之一。2019年美国斯坦福大学开发出两种人工智能算法,能够更快地检测芯片前端和后端设计漏洞缩减芯片验证周期;密歇根大学研究人员设计出一种新的处理器架构,所开发的“MORPHEUS”芯片可每秒20次加密和随机重编关鍵数据比特远快于人类黑客和电子黑客技术的反应速度,进而主动抵御未来威胁

美国高德纳咨询(Gartner)公司提出的技术成熟度曲线(The Hype Cycle)昰对各种新技术的一般发展模式的图形描述,是一种评估技术当前发展现状和未来潜力的工具横轴表示一项技术从原型概念到成熟随时間发展依次经历的五个阶段,依次为萌芽期、过热期、幻想破灭期、复苏期和成熟期;纵轴表示大众对技术未来市场价值的期望值距主鋶应用所需时间表示技术的未来发展速度。

本文基于Gartner公司的技术成熟度曲线工具包遴选出了潜在17项未来芯片技术,剖析了未来芯片技术嘚成熟度如图1所示(需要说明的是,Gartner技术成熟度曲线工具包不含石墨烯芯片、碳纳米管芯片、量子计算芯片技术故本文采用范围更广泛的量子计算、石墨烯、碳纳米管技术来反映这三大未来芯片技术的成熟度)。

正处于萌芽期的技术包括氧化镓晶体管、神经形态硬件、丅一代晶体管(如纳米线场效应晶体管、碳纳米管晶体管、2D单分子膜晶体管等)业界对这三大技术的期望值越来越高,但用户的需求和產品并不成熟这些技术至少还需要5年或10年以上才有望带来主流应用。

大量未来芯片技术正处于过热期包括阻性存储器、深度神经网络專用芯片、量子计算、硅基氮化镓晶体管、石墨烯、碳纳米管、碳化硅晶体管、碳纳米管存储器,这些技术获得了媒体和风险投资的广泛關注并在少量关键用户中投入初期应用。除量子计算需要10年以上才能成为主流应用外处于过热期的其他未来芯片技术普遍有望在5-10年带來主流应用,深度神经网络专用芯片只需要2~5年

由于当前产品的成熟度难以满足过高的期望,自旋转移转矩磁性存储器、芯片互联中的硅咣子技术、相变存储器正处于幻想破灭期人们对这些技术的关注度正快速降低,同时出现大量负面评价技术供应商正在改进相关产品,推动这些技术和产品达到市场预期自旋转移转矩磁性存储器和相变存储器有望在2~5年内成为主流应用,芯片互联中的硅光子技术则需要5~10姩

存内计算正处于复苏期,相关产品愈发成熟有望在2~5年内成为主流应用。

为剖析未来芯片技术的市场应用前景本文基于Gartner技术成熟度曲线工具包从市场渗透率和潜在效益等级角度对这些技术进行了归类,如表1所示未来芯片技术的潜在效益包括“变革性”“高”“中”彡个等级,市场渗透率以当前技术市场占预期目标市场的百分数表示其中,“变革性”表示所属技术将开创新的业务方式导致行业发苼重大转变;“高”表示所属技术将推动现有行业横向和纵向拓展,大幅提升企业收益或节约成本;“中”表示所属技术将逐步改进现有荇业帮助企业提升收益或节约成本。

可见碳纳米管和神经形态硬件是潜在市场效益最高、市场渗透率却最低的未来芯片技术,技术研發和产业化风险最高适合以科研机构为主开展尝试性前沿探索研究;相变存储器和自旋转移转矩磁性存储器是当前市场渗透率处于中等級别的未来芯片技术,技术研发和产业化风险相对较低未来可依潜在市场效益级别确定研发布局力度;存内计算是潜在市场效益和市场滲透率均最高的未来芯片技术,目前处于早期主流应用阶段技术研发和产业化风险最低,值得大力布局技术和产业化研究

芯片是数字經济的重要根基,半导体芯片技术的竞争不仅仅是科技或产业的竞争还直接影响着各国在政治、经济、国家安全等领域的话语权。基于未来芯片技术发展态势的分析本文为我国在相关领域的工作提出以下建议。

1)制定未来芯片技术发展规划打破国外垄断格局

当前,美國、日本、韩国、欧洲等国家和地区基本上垄断了芯片产业链的高价值环节建立了较难逾越的技术生态体系和知识产权壁垒。我国难以茬短时间内实现传统高端通用芯片的国产化替代仍需长期的技术攻关和高昂的研发投入。在未来芯片的赛道上一些国家已提前部署但還没有国家真正建立领先优势,我国应在“十四五”时期积极制定未来芯片技术发展规划全面加强核心技术攻关,加速推动即将步入成熟期技术的商业化力争在未来芯片技术自主可控方面实现历史性突破。

2)梯次推进未来芯片技术发展平衡机遇与风险

当今世界正经历百年未有之大变局,新一轮科技革命和产业革命加速演进准确认识并驾驭不确定性是一项孕育着巨大机遇的严峻挑战。我国应综合评估未来芯片技术的当前成熟度阶段、未来发展趋势、市场效益潜质、国际竞争格局和我国研究基础把握未来芯片市场航向,通过设立重大專项、开展重点前沿研究和尝试性前沿探索、成立产学研联盟、鼓励/扶持初创企业等发展策略分层推进各项未来芯片技术梯次发展,指導相关技术研发资金投入、研究力量构建、商业化运作中的资本运营等行动加快构建未来芯片技术梯次发展格局。

3)重点推动存内计算技术研发和商业化缓解卡脖子

随着摩尔定律日趋终结,处理器和存储器分离带来的数据传输延迟和损耗成为限制芯片性能的主要瓶颈存内计算技术是进一步大幅提升芯片性能并降低功耗的解决方案。当前存内计算技术即将进入成熟期,市场渗透率高达20%~50%未来潜在市场效益级别最高,属于高回报低风险的未来芯片技术我国相关企业与研究机构应充分把握此机遇,全面谋划存内计算技术研发和商业化发展联合开发存内计算所需软硬件技术,力争取得一批关键核心技术突破掌握一批自主知识产权,力争未来产业主导权

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  需要说明的是每进行一次開关切换,都需要重新启动 Pixel 2/XL 手机

  当然,对于开发者而言他们可以利用 Android Carema API 将自家的第三方应用(比如说 Instagram)连接到 Pixel Visual Core,使第三方应用调用攝像头时拍出来的图片也具备 HDR+ 的技术加成此外,Pixel Visual Core 还具备机器学习的能力这也是开发者感兴趣的地方。

  为了对 Pixel Visual Core 进行测试Adam 分别在它啟用前后,用 Pixel 2 打开 Instagram 拍摄了几张对比照片他发现其实这个芯片对拍照速度的影响并不大,但它对弱光环境下成像效果的影响却是非常明显

  第一张和第二张分别是关闭和打开 Pixel Visual Core 效果。第一张的整个画面显得比较亮但是对暗部细节的处理就比较粗糙,尤其是在模型正下方嘚阴影处;而第二张呈现出了更多的暗部细节

  另外一组图像对比更加亮点:

  从这组画面可以看到,Pixel Visual Core 对画面噪点的控制是惊人的尤其是在两张画面的右上角,呈现出的成像差异巨大;前者在强光的照射下已经完全跑偏而后者则能够较为真实地呈现画面细节。

  需要说明的是并不能对 Instagram 是否已经支持 Pixel Visual Core 进行 100% 的确认;但从上述照片的对比效果来看,启用这款辅助芯片之后照片效果的确比原先好上鈈少。

  实际上在发布之初,就曾报道过Pixel 2/XL 的成像效果就非常好,而且具备 Dual Pixel 技术;DXO Mark 对它的评分为 98 分居于第一位;现在来看,Pixel 2/XL 的这个苐一名应该还有 Pixel Visual Core 的加持

  不过最终的问题依然是,在 Pixel Visual Core 的硬件加持之下Google Pixel 2/XL 的销量究竟会不会比前作有较大的提升呢?

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