博文
千兆集成度的全新互连技术(101115)
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千兆集成度的全新互连技术(101115)
闵应骅
今年7月，IEEE Design and test of computers出了一期专刊，谈千兆集成度IC的全新互连技术。
当前的商业芯片在一个系统芯片（SOC)中集成几十或几百个功能块或存储块。该数量还要增加。特别是分子尺度计算将成数量级地提高集成密度。这样高密度的集成需要高带宽、低功耗互连体系结构的设计。
传统的CMOS互连基本上是采用基于金属和电介质的平面互连体系结构。这种互连结构无论如何需要取代和/或扩展。现在，全局互连时延已经大大超过门时延。近期，80%微处理器功耗将在于互连。铜和低k电介质互连能减少全局互连时延，但也维持不了多久了。所以，长期来说，传统的材料创新或工艺改进办法无法满足性能需求，而需要全新的互连技术。一些小的设计和测试方法改进，在国际和国内都不断涌现，但能够缓解的问题很有限，解决不了大问题，需要从根本上想办法。在国家自然科学基金委刚刚结题的SOC重大专项中，互连线的建模、仿真、综合是7大科学成果之一。片上互连在建模和参数提取、模型降阶的计算方法等方面都取得了成果，但没有提供解决互连问题的根本方法。根本方法在哪里？就在于革命性的变化片上互连方法。
传统的2D铜互连IC受限于平面结构的几何约束。基于光技术、射频和无线电方法和碳纳米管成为有希望的变革，以克服此困难。虽然其中的某些办法也属于2D。但是，它们有更大灵活性去设计和路由这些互连，而且在时延和功耗方面有优越性。除了设计和制造方面的挑战之外，就是可靠性和CAD工具开发方面的问题。由于尺寸缩小，互连线走向容易导向瞬时和永久故障。用天生不可靠的元件产生可靠而且可预见的互连结构成为一个大问题。新的互连结构应该能够在一个SOC内，集成电的和非电的各种不同元件。这种复杂而异构的SOC的设计与测试需要新的模拟和模型化工具。
高端计算机系统的光互连基于硅基光电子学，去设计高集成度芯片阵列。在多芯片包装内用光互连是可能的，但需要解决连接、时钟分布和校准三个设计和测试问题。
在碳纳米材料方面，主要有两种技术：碳纳米管（CNT）和石墨烯纳米带（GNR）。使用它们做互连，如何模型化、如何分析、怎么评价性能，特别是怎么制造，都是值得研究的问题。在芯片上，用CNT天线进行无线通信也是可能的。这种光波段天线当然和射频天线不同，它可以减少面积开销。但制造过程中的变差需要很好控制。
计算机机架内部，包含许多芯片和电路板，他们怎么互连？过去用多于牛毛的电线连接，这对于大型高性能计算机显然是不行的，可以用短距离的无线通信。问题是如何对付通道数据丢失、多通路和电磁干扰的问题。有人已经做出4G赫兹，500Mbps,超宽带接收器样机，用90纳米CMOS工艺实现。
用光子片上网络，可以实现多核系统。这种光片上网络，可以用基于广播的片上通信方案，对于多核系统和并行应用可以做到高速、低功耗。
以上这些方法不光是牵涉通信、计算机，而且牵涉材料、光学、天线等等科学。我不懂，我也相信，没有一个人能全懂，尤其是这些内容都是新的。这就说明，真正的原创性创新需要多学科的结合和协作，共同解决新的技术难题。此事说起来容易，做起来难。一是我们的科研基本上都由国家主宰，而国家条块分割。二是即使集中起来，也是各有所图，不是集中目标出产品。领导还有一个认识误区，就是以为找各学科的院士、专家组成一个专家组不就多学科结合了吗？不见得，一个光学专家不见得对光互连很清楚，甚至很外行。有些专家认为根本不可能的事，可能恰恰是原始创新之所在。这些情况和公司主持的科研项目是不同的。因为公司搞科研目的比较单一。当然，我们国家的大学教育过于职业化、专业太窄也有关系，这一套是50年代院系调整时从苏联学来的，要改也难。不管怎么样，技术创新要求多学科的协作。没有原创性成果就只能跟着人家跑，再有钱也没用。
https://wap.sciencenet.cn/blog-290937-383975.html
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闵应骅
今年7月，IEEE Design and test of computers出了一期专刊，谈千兆集成度IC的全新互连技术。
当前的商业芯片在一个系统芯片（SOC)中集成几十或几百个功能块或存储块。该数量还要增加。特别是分子尺度计算将成数量级地提高集成密度。这样高密度的集成需要高带宽、低功耗互连体系结构的设计。
传统的CMOS互连基本上是采用基于金属和电介质的平面互连体系结构。这种互连结构无论如何需要取代和/或扩展。现在，全局互连时延已经大大超过门时延。近期，80%微处理器功耗将在于互连。铜和低k电介质互连能减少全局互连时延，但也维持不了多久了。所以，长期来说，传统的材料创新或工艺改进办法无法满足性能需求，而需要全新的互连技术。一些小的设计和测试方法改进，在国际和国内都不断涌现，但能够缓解的问题很有限，解决不了大问题，需要从根本上想办法。在国家自然科学基金委刚刚结题的SOC重大专项中，互连线的建模、仿真、综合是7大科学成果之一。片上互连在建模和参数提取、模型降阶的计算方法等方面都取得了成果，但没有提供解决互连问题的根本方法。根本方法在哪里？就在于革命性的变化片上互连方法。
传统的2D铜互连IC受限于平面结构的几何约束。基于光技术、射频和无线电方法和碳纳米管成为有希望的变革，以克服此困难。虽然其中的某些办法也属于2D。但是，它们有更大灵活性去设计和路由这些互连，而且在时延和功耗方面有优越性。除了设计和制造方面的挑战之外，就是可靠性和CAD工具开发方面的问题。由于尺寸缩小，互连线走向容易导向瞬时和永久故障。用天生不可靠的元件产生可靠而且可预见的互连结构成为一个大问题。新的互连结构应该能够在一个SOC内，集成电的和非电的各种不同元件。这种复杂而异构的SOC的设计与测试需要新的模拟和模型化工具。
高端计算机系统的光互连基于硅基光电子学，去设计高集成度芯片阵列。在多芯片包装内用光互连是可能的，但需要解决连接、时钟分布和校准三个设计和测试问题。
在碳纳米材料方面，主要有两种技术：碳纳米管（CNT）和石墨烯纳米带（GNR）。使用它们做互连，如何模型化、如何分析、怎么评价性能，特别是怎么制造，都是值得研究的问题。在芯片上，用CNT天线进行无线通信也是可能的。这种光波段天线当然和射频天线不同，它可以减少面积开销。但制造过程中的变差需要很好控制。
计算机机架内部，包含许多芯片和电路板，他们怎么互连？过去用多于牛毛的电线连接，这对于大型高性能计算机显然是不行的，可以用短距离的无线通信。问题是如何对付通道数据丢失、多通路和电磁干扰的问题。有人已经做出4G赫兹，500Mbps,超宽带接收器样机，用90纳米CMOS工艺实现。
用光子片上网络，可以实现多核系统。这种光片上网络，可以用基于广播的片上通信方案，对于多核系统和并行应用可以做到高速、低功耗。
以上这些方法不光是牵涉通信、计算机，而且牵涉材料、光学、天线等等科学。我不懂，我也相信，没有一个人能全懂，尤其是这些内容都是新的。这就说明，真正的原创性创新需要多学科的结合和协作，共同解决新的技术难题。此事说起来容易，做起来难。一是我们的科研基本上都由国家主宰，而国家条块分割。二是即使集中起来，也是各有所图，不是集中目标出产品。领导还有一个认识误区，就是以为找各学科的院士、专家组成一个专家组不就多学科结合了吗？不见得，一个光学专家不见得对光互连很清楚，甚至很外行。有些专家认为根本不可能的事，可能恰恰是原始创新之所在。这些情况和公司主持的科研项目是不同的。因为公司搞科研目的比较单一。当然，我们国家的大学教育过于职业化、专业太窄也有关系，这一套是50年代院系调整时从苏联学来的，要改也难。不管怎么样，技术创新要求多学科的协作。没有原创性成果就只能跟着人家跑，再有钱也没用。
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