專家觀點：暗場矽晶象征黑暗時代即將來臨？

　　雖然傳統的制程微縮得以在晶片中填入更多的電晶體，卻使得晶片永遠處于更“黑暗”的狀態，而新興的單晶片 3D 技術可望讓晶片得以“重見光明”。

　　“暗場矽晶”(dark silicon)指的是晶片中必須斷電以避免過熱的部份。在2014年的國際電子元件會議(IEDM)上，ARM的總工程師Greg Yeric指出，在20nm技術節點(包括16/14nm FinFET )時，暗矽的部份預計將占整個晶片面積的1/3，而到了5nm技術節點時還將增加到占80%的面積。

　　如今，制程微縮不再遵循Dennard's Law，在更薄閘電介質時越來越難以避免漏電急劇增加，“因此，盡管幾何尺寸持續微縮，閾值電壓卻未隨之降低。”

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　　不同技術節點的暗矽趨勢

　　一旦考慮到晶片成本，這種黑暗的前景似乎更是雪上加霜。在最近的SEMI產業技術論(ISS)，博通(Broadcom)總裁兼執行長Scott McGregor表示，呈指數上升成本將對產業帶來變化：

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　　每電晶體成本持續攀升

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　　設計成本急劇增加

　　這為半導體產業描繪了一個非常黑暗的未來。為了開發使用更昂貴電晶體的設計，我們更需要指數級的投資。因此，Scott McGregor總結指出這個“半導體產業前進的重大變化”將是不可避免的。

　　為了尋找隧道盡頭的一線曙光，ARM技術長Mike Muller提出以下三點建議：

　　.推動如絕緣矽(SOI)等新的晶片技術進展

　　.利用高能效、高密度的記憶體來填補部份的“暗場”

　　.結合最佳制程技術，以 3D IC 實現各種不同的功能。 3D IC 將“成為我們提供高能效解決方案的關鍵部份”。

　　的確，Sony日前宣布加入FDSOI Club，未來可望“使其GNSS晶片功耗從10mW降低至1mW。”

　　在IEDM 2014，多個研究論文都提出了單晶片 3D 技術與記憶體，如 RRAM 可在邏輯元件頂端成形為后段制程(BEOL)的一部份，有效地形成單晶片 3D 電路。此外，單晶片 3D 的一般情況是，上層電晶體自然形成SOI，因而可透過結合降低閾值的 SOI 達到功效提升，同時降低平均導線長度，并進一步降低導線功率與延遲。CEA Leti攜手ST Micro、IBM與高通(Qualcomm)等公司，發表了單晶片 3D 技術 CoolCube ，可進一步實現 3D VLSI 微縮。下圖顯示CEA Leti發表期望在未來打造的全球單晶片 3D 生態系統。

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　　單晶片3D生態系統

　　單晶片3D 技術可望帶來更廣闊的光明前景。直到最近，邁向單晶片 3D 的道路必須變更至前段制程(FEOL)。 FEOL 的制程改變一直是微縮的一部份，但它相當昂貴，而且大多只能由技術先進的主要業者來進行。如今，隨著新興的精確接合機(如EVG或Nikon推出的產品) 等工具進展，改變了單晶片 3D 技術的游戲規則。“...真正的單晶片 3D IC 并不需要新的電晶體資訊配方。現有的任何晶圓廠就能在制程技術上因應變化調整，為一系列的產品功能強化提供非常具有競爭力的成本，以及透過微縮為更好的產 品組合提供長期的發展藍圖。”

　　最終的結果是，雖然傳統的制程微縮看起來將使晶片永遠處于更“黑暗”的狀態，但新興的單晶片 3D 技術可望讓晶片得以“重見光明”。