《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、评论或技术笔记，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，旨在提供一个共同的参考文件，以协调政府、行业和学术界的研究与开发。

路线图制定的历史演变

NTRS确定了未来15年内的重大转折点，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，全球领先的技术公司被邀请参与制定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的重要性。然而，随着电子产业的不断演变，技术视野的扩展和变革成为必要。2016年，在IEEE的赞助下，国际器件与系统路线图（IRDS）得以改革，欧洲、日本和美国的组织也参与了其中。此外，还有八个IEEE学会支持IRDS。

IRDS的重组以适应新的电子产业需求

随着整个电子产业的不断发展，系统与器件需求日益融合，IRDS将原来的17个国际技术工作组（ITWGs）合并为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非常具体的技术挑战。IRDS目前的结构涵盖以下主题：应用、系统与架构、超越摩尔定律、超越CMOS和新兴材料集成、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、健康与可持续性（ESH/S）、封装集成、工厂集成、光刻与图案化以及产量提升和计量学，还包括关于“超越摩尔定律”和自主机器计算的白皮书。

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/。

从废墟中重生

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）行业终于进入了消费者的视野，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，同时继续按照历史速率增加晶体管数量。为应对这种情况，提出了将单个核心分割成多个小型核心并行运行的方案，这样可以降低功耗；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. 人类询问者与人类和机器进行基于文本的对话。

2. 询问者提出问题并判断回答者是人类还是机器。

3. 询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了询问者，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存储足够AI计算能力并完成该测试的计算机，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。虽然这可能成为未来发展和制造的障碍，但已有成熟技术可以解决这一问题。倒装芯片技术自20世纪90年代初就已可制造并可用。这种技术此前仅用于少数高价产品，因为制造成本较高。当NVIDIA推出名为Blackwell的下一代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IC封装解决方案使得GPU能够实现大规模扩展，从而加速其发展。

值得一提的是，光刻技术在主导半导体产业五十年后，现在已将主导地位让给了多芯片封装技术，后者的发展前景无限。

—Paolo Gargini，IRDS主席

—Linda Wilson，IRDS公司和ISRDS经理