《国际设备和系统路线图》（IRDS）[学会新闻]

《IEEE Solid-State Circuits Magazine》：The International Road Map for Devices and Systems (IRDS) [Society News]

　　

摘要：

本文提供了社会信息，可能包括新闻、评论或技术说明，这些内容应该会对从业者和研究人员感兴趣。

半导体国家技术路线图（NTRS）

半导体国家技术路线图（NTRS）于1991年在美国半导体产业协会（SIA）的主持下建立，旨在为政府、产业界和学术界的研究与开发提供一个共同的参考文件，以实现协同效应。

路线图制定的历史演变

NTRS指出了未来15年内的一些重大转折点，这些转折点无法由单一公司、地区甚至一个国家独自克服。因此，1998年，全球领先的科技公司受邀参与制定了国际半导体技术路线图（ITRS）。来自欧洲、韩国和日本的半导体协会也加入了这一努力。在ITRS的指导下，应变硅、高l/金属栅极和FinFET技术分别于2003年、2007年和2011年得以开发并投入生产。ITRS还预测了闪存技术的垂直化发展（2013年及以后），以及逻辑器件的全环绕栅极（GAA）技术（2025年实现）。所有这些预测都应验了，证明了路线图方法在预测重大问题并提出潜在解决方案方面具有有效性。然而，随着电子产业的不断发展，技术视野的扩展和变革成为必要。2016年，在IEEE的赞助下，国际器件与系统技术路线图（IRDS）应运而生，欧洲、日本和美国的组织也参与了其中。此外，还有八个IEEE分会支持IRDS。

为适应新的电子产业需求，ITRS被重组为IRDS

随着整个电子产业的演变，系统与器件需求日益融合，IRDS将ITRS原有的17个国际技术工作组（ITWGs）整合为7个国际焦点团队（IFTs），以更好地应对这些系统、器件和技术之间的紧密互动。此外，还成立了8个IFTs来应对高度专业化且特定的技术挑战。IRDS目前的涵盖主题包括：应用、系统与架构、超越摩尔定律、超越CMOS的技术、新兴材料集成、外部系统连接、低温电子与量子信息处理、大规模数据存储、环境、安全与可持续性（ESH/S）、封装集成、工厂集成、光刻与图案化、产量提升以及计量学，同时还有关于“超越摩尔定律”和自主机器计算的专题报告。

2018年，IRDS在 executive summary 报告中揭示了人工智能（AI）即将到来的革命。目前，IRDS赞助了两场会议，以实时验证其预测是否成真，并及早采纳新的革命性想法。第一场会议是每年春季举行的国际器件与系统研讨会（ISRDS），重点讨论当前前沿系统和架构的驱动因素以及未来创新的提案。第二场会议是2003年（最初由ITRS发起）的国际纳米器件会议（INC）的延续和发展，该会议每年秋季举行，会上提出新的器件结构。IRDS持续更新系统和技术评估与预测；公众可以免费访问当前（及之前的）报告：https://irds.ieee.org/。

从灰烬中重生

20世纪80年代，由微处理器单元（MPU）和大量内存驱动的个人电脑（PC）行业终于普及到消费者手中，消费者将其作为多功能工具广泛采用。这使得PC在90年代取得了前所未有的经济成功。随着软件变得越来越复杂，支持更多新应用并提升功能，需要加快MPU的速度以实时应对软件的复杂性。这意味着必须以越来越高的频率运行MPU，并同时按照摩尔定律的速率增加活跃晶体管的数量。90年代预计未来的功耗极限将达到约115瓦。此时，内置PC风扇的冷却能力不足以将集成电路（IC）保持在合理温度，从而导致器件故障。频率和晶体管数量无法像过去那样继续同时增长。

因此，半导体行业决定将操作频率限制在约5 GHz左右，同时继续按照历史速率增加晶体管数量。为应对这种情况，人们提出将单个核心分割成多个较小的核心，使其能够并行运行，从而降低功耗；尽管如此，由于只有并行操作能从中受益，串行操作无法受益，因此性能提升仍然有限。

推动AI革命的技术

早在上个世纪中叶，图灵就提出了AI架构和应用的概念，并提出了著名的“模仿游戏”测试。其工作原理如下：

1. 人类提问者与人类和机器进行基于文本的对话。

2. 提问者提问并判断回答者是人类还是机器。

3. 提问者的目标是正确识别对话对象是人类还是机器。

4. 如果机器多次成功欺骗提问者，则认为它通过了测试。

（如今在与任何“聊天”系统互动时，我们都会意识到“模仿游戏”的挑战已经实现！）

2006年至2009年间，斯坦福大学的学生发现图形处理单元（GPU）能够支持某些AI算法。过去曾多次尝试构建能够通过该测试的计算机，但由于计算能力不足而失败。那么为什么GPU能够成功呢？

AI的基本操作涉及大量并行计算，而GPU的设计正是为了满足图形应用的需求。2018年VLSI研讨会上，Bill Dally首次报告了完全成功的AI优化GPU构建成果。这一重要突破也在2018年IRDS的 executive summary 中得到报道，标志着AI时代的到来。由于疫情导致公众未能及时关注后续进展，直到2022年11月ChatGPT在两个月内吸引了1亿用户，AI革命才被正式宣布为下一次社会革命。

然而，在2022年，Hopper GPU问世，它拥有800亿个晶体管，芯片面积为814平方毫米（814 mm²），几乎达到了EUV扫描仪成像技术的极限。尽管这可能成为未来发展和制造的障碍，但已有成熟的技术可以解决这一问题。从20世纪90年代初开始，倒装芯片技术就已经可以制造并投入使用。这种技术之前仅用于少数高价产品，因为制造成本较高。当NVIDIA推出Blackwell GPU时，采用了倒装芯片技术，将所需的2080亿个晶体管分成两个芯片，每个芯片面积为768平方毫米（768 mm²）。这两个GPU被连接起来，像一个大型GPU一样工作。这种方法将继续应用，下一代领先的GPU名为Robin Ultra，将集成四个GPU芯片。总之，一种新的IC封装技术使得GPU的规模得以扩大，从而实现了其持续加速。

需要指出的是，光刻技术在主导半导体产业五十年后，现已将主导地位让给了多芯片封装技术，而多芯片封装技术目前还没有明显的限制。

——Paolo Gargini，IRDS主席

——Linda Wilson，IRDS公司和ISRDS经理