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爭(zhēng)搶工藝商機(jī)，八仙過(guò)海各憑本事

本文作者：任苙萍點(diǎn)擊： 2019-10-14 11:15

前言：

同樣基于整合理念，也有人將念頭動(dòng)到了內(nèi)存身上。力積電 (PSMC) 董事長(zhǎng)黃崇仁提及，從 1G 到 5G 通信約莫走了四十個(gè)年頭，數(shù)據(jù)速度提升了 800 萬(wàn)倍，半導(dǎo)體要飛速追趕，熱量與帶寬成了最大挑戰(zhàn)，加之計(jì)算又浪費(fèi)太多時(shí)間在數(shù)據(jù)進(jìn)出內(nèi)存上；反之，即使擁有大容量?jī)?nèi)存、指令周期卻跟不上，就會(huì)需要大量緩沖區(qū) (buffer)。為翻轉(zhuǎn)此困境，力晶突破工藝壁壘將邏輯 IC 和內(nèi)存整合在一個(gè)基板上，采用 25nm DRAM 工藝做成名為＂AIM＂的單芯片，特別適用于 5G 和 AI 等特定用途的高速邊緣計(jì)算，具備以下三大特點(diǎn)。

照片人物：力積電 (PSMC) 董事長(zhǎng)黃崇仁

一是省略 I/O、沒(méi)有帶寬顧慮，二是可內(nèi)嵌四個(gè) CPU 或 MPU 并允許混搭 ARM 和 RISC 架構(gòu)，四通道合計(jì)最高傳輸率可達(dá) 4096 bit/s，三是功耗和成本遠(yuǎn)低于張量處理器 (TPU) 或智能處理器 (IPU) 等新型 AI 加速處理器。黃崇仁主張，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)涵蓋輸入、計(jì)算和儲(chǔ)存，DRAM 若沒(méi)有成功連接處理器就沒(méi)用，就像人腦有千億個(gè)神經(jīng)元、需要千兆連接；如果前段 DRAM 故障就會(huì)罹患阿茲海默癥，若是后段硬盤損壞就是帕金森氏癥。他堅(jiān)信，再好的應(yīng)用都需要半導(dǎo)體支持，否則都是空談，并透露正在開發(fā) AI 傳感器，可就地計(jì)算數(shù)據(jù)再丟出去，降低負(fù)載。

明日工藝重點(diǎn)：MEMS感測(cè)
日月光半導(dǎo)體執(zhí)行長(zhǎng)吳田玉接話，工藝關(guān)注的不外乎就是密度和功耗，摩爾定律 (Moore's Law) 講述的只是處理器＋內(nèi)存的大腦運(yùn)作，缺少對(duì)眼、耳、口、鼻、手的論調(diào)，但諸如微機(jī)電 (MEMS) 等感測(cè)技術(shù)才是明日重點(diǎn)。然而，摩爾與泛摩爾沒(méi)有沖突、而是相輔相成的，因?yàn)槟X子好，所有感官會(huì)更靈光；未來(lái)六十年，大腦會(huì)繼續(xù)循摩爾軌跡前行，傳感器則將從穿戴外置，轉(zhuǎn)成嵌入在感官或大腦中。他坦言，雖然半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在過(guò)去三十年形勢(shì)大好，幾呈同步線性成長(zhǎng)，但它其實(shí)是很殘忍的行業(yè)，餅很大、卻未必吃得到，只適合＂極端樂(lè)觀者＂投入。

照片人物：日月光半導(dǎo)體執(zhí)行長(zhǎng)吳田玉

吳田玉的看法是：工藝升級(jí)確會(huì)帶動(dòng)營(yíng)收節(jié)奏，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)并非由摩爾定律直接牽引，而是先帶動(dòng)系統(tǒng)發(fā)明、為社會(huì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益和價(jià)值并產(chǎn)生大規(guī)模量化效益使然；何況，今天的摩爾定律已發(fā)生質(zhì)變！從業(yè)者必須先弄清楚日后生意打哪兒來(lái)？要在什么時(shí)間點(diǎn)切入？今后三十年，有哪些應(yīng)用可維持十年成長(zhǎng)榮景？找對(duì)題目、設(shè)立愿景，才有機(jī)會(huì)大啖商機(jī)。他認(rèn)為，將 CPU 與內(nèi)存綁在一起只是摩爾定律的延伸，不算＂異質(zhì)整合＂(Heterogeneous Integration, HI)，不須過(guò)于執(zhí)著此道；真正的異質(zhì)整合須是＂摩爾完全沒(méi)考慮到的東西＂，且能發(fā)揮杠桿作用。

3D 堆棧起飛，＂量子計(jì)算＂備受期待
3D 堆棧封裝是另一個(gè)工藝焦點(diǎn)。旺宏電子總經(jīng)理盧志遠(yuǎn)拆解，2D 平面因柵口相距太遠(yuǎn)，難以控制電流泄漏路徑，所以往 3D 鰭式晶體管 (FinFET) 發(fā)展，其優(yōu)勢(shì)在于：邏輯柵控制較佳，實(shí)作可高達(dá) 192 層，2014 年后的多層單元 (MLC) NAND 封裝多采 3D 立體封裝。小芯片 (Chiplet) 模塊化是另一值得留意的趨勢(shì)，不過(guò)也有人反其道而行，將整個(gè) 300mm 的晶圓做成一個(gè)超大芯片，成功率不是零、就是一百，根本沒(méi)有良率可言；無(wú)論尺寸如何，都少不了錯(cuò)誤修正 (ECC) 技能相助。此外，盧志遠(yuǎn)相當(dāng)看好＂量子計(jì)算＂(Quantum Computing) 前景。

照片人物：旺宏電子總經(jīng)理盧志遠(yuǎn)

IBM 早在 1970～1980 年間，即對(duì)超導(dǎo)電性著手研究，隨著近日 53 量子位 (Qbit) 的電腦問(wèn)世，量子計(jì)算再度引發(fā)關(guān)注，臺(tái)灣大學(xué)也正積極籌組＂IBM 量子電腦中心＂。統(tǒng)整專家意見，多只在光電和通信兩類半導(dǎo)體器件實(shí)施量子點(diǎn) (Quantum Dot) 超導(dǎo)電路，而建構(gòu)量子算法須先弄清楚代碼，因?yàn)槊總€(gè)設(shè)備都必須將量子電路映像到量子設(shè)備系統(tǒng)，使所有電子設(shè)備更接近量子芯片；結(jié)合特殊 CMOS 在極低溫環(huán)境工作可降低傳統(tǒng)芯片的嚴(yán)重電阻，對(duì)于啟用量子電腦的晶體管至關(guān)重要，亦是梗阻所在，須仰賴最大數(shù)量的門控精確度 (Fidelity) 警告。

＂世界工廠＂成過(guò)去式，供應(yīng)鏈轉(zhuǎn)趨陣營(yíng)化
半導(dǎo)體創(chuàng)新風(fēng)向也吹拂到系統(tǒng)商。為打通電子業(yè)上、下游經(jīng)脈做垂直整合，鴻海集團(tuán)三年前開始進(jìn)軍半導(dǎo)體領(lǐng)域，以實(shí)際行動(dòng)展現(xiàn)轉(zhuǎn)型＂解決方案提供者＂的決心。S 次集團(tuán)副總經(jīng)理陳偉銘表示，受限于工藝，IC 設(shè)計(jì)須與晶圓廠緊密合作、無(wú)法＂為所欲為＂，設(shè)計(jì)規(guī)則已從最初的數(shù)百增至上萬(wàn)，現(xiàn)在更向下延伸到封裝和系統(tǒng)并尋求跨域突破；有些系統(tǒng)商更進(jìn)一步發(fā)展專用芯片 (ASIC) 以強(qiáng)化自己的生態(tài)系統(tǒng)，而軟件可能成為創(chuàng)造差異化的關(guān)鍵：相較于硬件，算法對(duì)改善計(jì)算效能的幫助更大，甚至出現(xiàn)軟件定義芯片 (Software Defined Everything, SDX)。

照片人物：鴻海 S 次集團(tuán)副總經(jīng)理陳偉銘

陳偉銘指出，在保護(hù)主義、貿(mào)易戰(zhàn)盛行下，每個(gè)地區(qū)都希望發(fā)展屬于自己的產(chǎn)業(yè)，不太可能再出現(xiàn)世界工廠，供應(yīng)鏈亦將一改通力合作之勢(shì)、轉(zhuǎn)趨陣營(yíng)化，產(chǎn)品規(guī)格也將涇渭分明，只有資源豐沛的大集團(tuán)有能力同時(shí)投入多種研發(fā)，而半導(dǎo)體和 AI 的進(jìn)展將決定國(guó)家優(yōu)勢(shì)。他剖析，早年 PC 時(shí)代，臺(tái)灣有許多系統(tǒng) ODM 廠、建立完整產(chǎn)業(yè)鏈，是促進(jìn)半導(dǎo)體蓬勃發(fā)展的成功因素之一，才得以造就今天臺(tái)灣在晶圓代工和委外封裝測(cè)試廠 (OSAT) 穩(wěn)座全球第一、IC 設(shè)計(jì)位居第二的榮景；面對(duì)全球產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，延伸完整供應(yīng)鏈?zhǔn)亲罴巡呗浴?/span>

Facebook：AI＋VR/AR 穿戴式裝置將繼起，無(wú)線技術(shù)能耗驚人
今年在國(guó)際半導(dǎo)體展 (SEMICON Taiwan 2019) 系列活動(dòng)中，有一場(chǎng)《智能數(shù)據(jù)國(guó)際高峰論壇》難得請(qǐng)到臉書 (Facebook) 副總裁兼直升機(jī)與技術(shù)工程負(fù)責(zé)人 Shahriar Rabii 分享所謂系統(tǒng)商的觀點(diǎn)。他表示，此刻的我們正以史無(wú)前例的便捷方式進(jìn)行交流并獲得數(shù)字信息，過(guò)去十年來(lái)，我們見證了智能手機(jī)和個(gè)人電腦的革命；未來(lái)，提供虛擬現(xiàn)實(shí)／擴(kuò)增實(shí)境 (VR/AR) 的智能眼鏡等穿戴式裝置將繼之而起。例如，記不起某人名字時(shí)，智慧眼鏡可用來(lái)增強(qiáng)人們的記憶力和認(rèn)知能力；在境外有飲食需求，翻譯眼鏡可在共享白板上做出健康的食物選擇。

照片人物：Facebook 副總裁兼直升機(jī)與技術(shù)工程負(fù)責(zé)人 Shahriar Rabii

以智慧手機(jī) AR 所做的所有事情都會(huì)附加基于位置的信息，可與世界各地的朋友在互動(dòng)中共享私人便箋。Rabii 認(rèn)為，AR 眼鏡可增強(qiáng)我們的感知力，路由器將連接虛擬與現(xiàn)實(shí)，讓人們無(wú)縫、高效地與世界接軌。這些功能需要獲得足夠高、在日光下也能清楚分辨的高分辨率顯示器，且須用圖像識(shí)別感興趣的個(gè)體后、針對(duì)批注 (annotation) 和舞動(dòng)加以渲染 (render)，融會(huì)貫通任務(wù)的上、下文意識(shí)，以提供最佳用戶體驗(yàn)。我們當(dāng)然不希望每次進(jìn)行查詢或命名時(shí)都遭遇漫長(zhǎng)等待，想要順理成章、泰然自若地響應(yīng)，需要始終處于上、下文感知狀態(tài)的 AI 協(xié)助。

減少數(shù)據(jù)傳輸量vs.功耗的兩難
AR 可看作是具有完美記憶力的小助手，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接直達(dá)眼、耳感官，目標(biāo)是在設(shè)計(jì)點(diǎn)、乃至整個(gè)過(guò)程中以可接受的功耗提供堪用性能并優(yōu)化嚴(yán)苛的外形規(guī)格限制，以打造輕巧而時(shí)尚的眼鏡，同時(shí)將皮膚溫升降至最低以確保用戶舒適度。為快速連接圖形架構(gòu)和顯示技術(shù)，需為佩戴者在其他任務(wù)暗置燈光、音頻以追蹤手勢(shì)，接著將用戶位置在地圖上定位、計(jì)算 3D 對(duì)象并分析工作量。若在傳統(tǒng)系統(tǒng)單芯片 (SOC) 架構(gòu)運(yùn)行乃基于不同操作的能耗實(shí)現(xiàn)；高功率可增加數(shù)據(jù)傳輸速度，但最終無(wú)線技術(shù)能耗將提高 12,000 倍、甚至 300,000 倍以上。

因此，＂減少數(shù)據(jù)傳輸量＂對(duì)節(jié)能有明顯幫助，需要使用閾值電壓的混合來(lái)啟動(dòng) 1V 電壓，避免時(shí)間漏電功率下降、并迅速增加設(shè)備數(shù)量以保持泄漏螺栓 (bolts of leakage) 供應(yīng)數(shù)量的晶體管遷移；但吊詭的是，這會(huì)導(dǎo)致更高的功率、設(shè)計(jì)難度更大。由于定義動(dòng)態(tài)功耗為主的工作負(fù)載經(jīng)常變化、且執(zhí)行接近閾值的電壓，AI 設(shè)備的杠桿效應(yīng)非常大、屬于數(shù)據(jù)傳輸密集型架構(gòu)，加速器可為優(yōu)化 AI 工作負(fù)載提供巨大機(jī)會(huì)，且有助于獲得重要聲音；接收到語(yǔ)音后會(huì)進(jìn)入喚醒詞檢測(cè)和自然語(yǔ)言等子任務(wù)，這是一個(gè)永遠(yuǎn)在線 (always-on) 的模塊，需以超低功率運(yùn)行。

假如相關(guān)資源也可用于管理其他應(yīng)用，更有利于訓(xùn)練 AI 模型；又此類模型的工作精度可低至只有兩位，能顯著降低功耗。另一方面，執(zhí)行、配置文件對(duì)電腦和內(nèi)存的要求亦截然不同，此時(shí)，加速器可發(fā)揮作用——藉由在數(shù)據(jù)處理附近使用高密度的內(nèi)存選項(xiàng)找到平衡，讓運(yùn)行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) 減少能量消耗并提高錯(cuò)誤率，節(jié)省約 26% 的 SRAM。Rabii 總結(jié)，在技術(shù)定義的過(guò)程中可能會(huì)采取不同途徑并提供不同功率和性能；此前，總能量或因工藝技術(shù)設(shè)計(jì)出現(xiàn)差異，這可能是經(jīng)由材料和物理方法導(dǎo)入革命性的新布線而產(chǎn)生，效果極佳。

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