从CMOS到CMOS 2.0：半导体技术的范式转变

从CMOS到CMOS 2.0：半导体技术的范式转变

在半导体技术的发展历程中，CMOS（互补金属氧化物半导体）技术一直是推动行业前进的核心动力。然而，随着物理极限的逼近，传统的CMOS技术正面临着前所未有的挑战。imec的逻辑技术副总裁Julien Ryckaert提出的CMOS 2.0概念，预示着半导体行业即将迎来一次范式转变。

CMOS技术的成就与局限

CMOS技术通过不断缩小晶体管尺寸，实现了性能的显著提升和成本的持续降低。据国际半导体技术路线图（ITRS）数据显示，从1990年代的0.8微米工艺到2020年代的5纳米工艺，晶体管密度提高了约1600倍。但随着尺寸缩放的效益递减，传统的CMOS技术正面临PPAC（性能、功率、面积和成本）回报减少的问题。

CMOS 2.0：异构集成与系统优化

CMOS 2.0提出了一种全新的SoC设计方法，即通过系统技术协同优化（STCO）将SoC划分为不同的功能层，并为每一层选择最合适的技术选项。这种方法允许每个层针对其特定的功能约束进行优化，从而实现更高的性能和更低的成本。例如，imec展示的Cu/SiCN晶圆到晶圆键合技术，其互连间距低至400纳米，为3D集成提供了强大的连接性。

图：半导体技术革命之CMOS 2.0

3D集成技术：连接性能与灵活性

CMOS 2.0的实现依赖于先进的3D集成技术，这些技术可以将不同的功能层重新连接起来，就像它们位于同一基板上一样。3D集成技术的发展，如通过混合晶圆到晶圆键合实现的亚微米互连间距连接，为SoC的异构层提供了更高的连接性能和灵活性。

逻辑部分的创新：高驱动逻辑层与高密度逻辑层

CMOS 2.0还提出了对SoC逻辑部分的创新性划分。在这种方法中，逻辑部分被分为高驱动逻辑层和高密度逻辑层，每层针对不同的性能需求进行优化。这种划分允许在保持摩尔定律的同时，引入新材料和技术，如2D材料和CFET架构。

结论：CMOS 2.0的未来展望与挑战

CMOS 2.0代表了半导体行业的一次范式转变，它不仅为SoC设计提供了更大的灵活性和优化选项，而且为各种计算应用提供了更广泛的技术平台。然而，实现CMOS 2.0需要整个半导体生态系统的密切合作，包括设计实践、系统架构、EDA工具以及制造工艺的创新。据Gartner预测，到2025年，超过50%的SoC将采用异构集成技术，这表明CMOS 2.0的发展前景广阔，但也充满挑战。

什么是范式转变？

“范式转变”（Paradigm Shift）这个术语最早由科学史家和哲学家托马斯·库恩（Thomas Kuhn）在其1962年的著作《科学革命的结构》（The Structure of Scientific Revolutions）中提出。它指的是在科学理论、方法论或者技术实践领域中发生的根本性变化，这种变化改变了一个领域内的基本假设、实验方法和理论框架。范式转变往往伴随着对旧有模式的挑战和新思想的接受，它可能导致整个行业或社会结构的重组，带来深远的影响。