（文/陳炳欣）國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）是展示固態(tài)電路和片上系統(tǒng)進(jìn)展的全球性學(xué)術(shù)會(huì)議，每年都會(huì)吸引超過(guò)3000名來(lái)自世界各地工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的參加者。本屆ISSCC 2024的整個(gè)會(huì)議議程包括了10個(gè)教程、6場(chǎng)高級(jí)電路設(shè)計(jì)論壇，以及數(shù)量眾多的技術(shù)論文展示、特別活動(dòng)，涵蓋大型語(yǔ)言模型的節(jié)能AI計(jì)算系統(tǒng)、數(shù)字增強(qiáng)模擬電路、智能傳感、高性能頻率合成電路和系統(tǒng)、高度集成的電光收發(fā)器等，很多議題反映了當(dāng)前集成電路領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)。引人關(guān)注的是，本屆會(huì)議上來(lái)自中國(guó)（包括內(nèi)地、香港、澳門）的論文數(shù)量上再次蟬聯(lián)第一，顯示國(guó)內(nèi)集成電路領(lǐng)域在技術(shù)研究上取得了階段性成績(jī)。但是，成果主要集中在模擬、電源等小芯片方面，在先進(jìn)處理器、AI大芯片等方面，仍然差距較大，國(guó)內(nèi)還需要繼續(xù)保持學(xué)習(xí)。

光電融合：為高性能計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)辟新途徑

光電融合的發(fā)展趨勢(shì)在今年的ISSCC會(huì)議得到了充分體現(xiàn)，在臺(tái)積電資深副總經(jīng)理張曉強(qiáng)應(yīng)邀做的第一個(gè)開(kāi)場(chǎng)主旨報(bào)告《Semiconductor Industry: Present & Future半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)：現(xiàn)在和未來(lái)》中便多次談到，硅光電子技術(shù)在未來(lái)高性能計(jì)算中的重要作用。

張曉強(qiáng)博士指出，目前在高性能計(jì)算領(lǐng)域普遍采用電子技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸，但是系統(tǒng)功耗很高，隨著未來(lái)需要更高速的信號(hào)傳輸與更高的帶寬，這就需要在封裝中將電子轉(zhuǎn)換為光子，使用共封裝光學(xué)的先進(jìn)封裝技術(shù)把光子能力引入芯片當(dāng)中。CPO全稱共封裝光學(xué)（Co-Packaged Optics），其形態(tài)上將光引擎封裝至離交換機(jī)ASIC很近的地方，從而減少電鏈路（ASIC-光引擎）的距離，可大幅減少射頻傳輸損耗，提高信號(hào)帶寬。

張曉強(qiáng)博士強(qiáng)調(diào)，結(jié)合先進(jìn)的堆疊技術(shù)，將硅基光電子技術(shù)與電子芯片技術(shù)結(jié)合起來(lái)，是未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵方向。通過(guò)這種結(jié)合，可以顯著降低功耗（減少至50%）并提高效率，達(dá)到5pJ/bit的能耗。這顯示出硅基光電子技術(shù)在未來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)中的潛力和重要性。

張曉強(qiáng)還指出，將硅基光電子技術(shù)引入封裝中，不僅能夠提高數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)男?，還能夠通過(guò)在封裝中集成電壓調(diào)節(jié)器，利用硅基光電子技術(shù)來(lái)解決電力傳遞和互連密度的問(wèn)題，從而為高性能計(jì)算設(shè)備提供更高的能效和性能。

除此之外，本屆ISSCC2024上有關(guān)光電融合的議題還有很多。比如，Ghent University - IMEC的Gunther Roelkens介紹了一種創(chuàng)新的制造技術(shù)——微轉(zhuǎn)印，可用于創(chuàng)建異構(gòu)電子－光子集成電路。這種方法允許精確地將光子設(shè)備放置在電子電路上，實(shí)現(xiàn)光學(xué)和電子在微觀尺度上的無(wú)縫集成。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于開(kāi)發(fā)緊湊、能源高效的系統(tǒng)非常重要，這些系統(tǒng)將電子的高速數(shù)據(jù)處理能力與光子學(xué)的高帶寬、低延遲通信優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)。

UC Berkeley的Vladimir Stojanovic探討了在單一片上系統(tǒng)（SoC）平臺(tái)上集成電子和光子組件的方法。這種方法將推進(jìn)執(zhí)行計(jì)算、通信、感知功能的SoC開(kāi)發(fā)，提升效率和速度。電子和光子在SoC內(nèi)的協(xié)同作用為高性能計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)辟新途徑，應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車、數(shù)據(jù)中心、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)。Ayar Labs 的Chen Sun發(fā)表了硅基光電子技術(shù)在提升芯片間通信能力方面的進(jìn)展，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)開(kāi)發(fā)連接和光輸入/輸出芯片組，這對(duì)于提高半導(dǎo)體技術(shù)中的數(shù)據(jù)傳輸速率和效率非常重要。

ISSCC 2024對(duì)于硅基光電子相關(guān)主題的關(guān)注明確反映了當(dāng)前的一個(gè)重要技術(shù)趨勢(shì)，即電子芯片技術(shù)和硅基光電子技術(shù)的融合，這一趨勢(shì)受到數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)需求的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也反映了硅基光電子技術(shù)在革新半導(dǎo)體行業(yè)方面的潛力。

存儲(chǔ)芯片：聚焦3D閃存和DRAM更高密度更快傳輸

存儲(chǔ)一直是ISSCC研討的重點(diǎn)領(lǐng)域，本屆ISSCC在存儲(chǔ)領(lǐng)域仍然以3D閃存和DRAM為主。在QLC產(chǎn)品領(lǐng)域，三星分享一篇題為《A 280-Layer 1Tb 4b/cell 3D-NAND Flash Memory with a 28.5Gb/mm2 Areal Density and a 3.2GB/s High-Speed IO Rate》的演講，展示了280層QLC三維閃存技術(shù)，存儲(chǔ)密度達(dá)到28.5Gb/mm2，遠(yuǎn)高于海力士321層TLC三維閃存（>20.0 Gb/mm2）和英特爾192層PLC三維閃存（23.3 Gb/mm2）。存儲(chǔ)密度的提升得益于共享電路方案的提出，外圍電路占用面積顯著降低。

為了實(shí)現(xiàn)QLC產(chǎn)品傳輸速度的突破，三星提出方案最大傳輸速率可達(dá) 3.2 GB/s，顯著高于現(xiàn)有2.4 Gb/s的QLC產(chǎn)品。280層QLC三維閃存只是三星QLC路線圖的近期的重要一步。隨著未來(lái)技術(shù)代的持續(xù)升級(jí)，QLC產(chǎn)品在三維存儲(chǔ)閃存中的占比不斷增加，最終性能可以與當(dāng)今主流的TLC產(chǎn)品直接競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)入移動(dòng)端，取代部分TLC產(chǎn)品市場(chǎng)。

在TLC領(lǐng)域，美光分享一篇題為《A 1-Tb Density 3-b/Cell 3D NAND Flash on a 2YY- Tier Technology with a 300-MB/s Write Throughput》的演講，展示了2YY層TLC三維閃存技術(shù)。存儲(chǔ)密度達(dá)到>20Gb/mm2，可以比擬海力士321層三維閃存。美光提出了編程算法、頁(yè)緩沖器定序器加速和峰值功率管理等一系列性能提升方案，實(shí)現(xiàn)芯片功耗和傳輸速率的提升，最大傳輸速率可達(dá) 3.6 GB/s，最高吞吐量達(dá)到300MB/s，性能優(yōu)于海力士321層三維閃存。可以想見(jiàn)，未來(lái)TLC三維閃存芯片性能進(jìn)入更高性能時(shí)代。

在DRAM領(lǐng)域，三星在一篇名為《在第五代10納米DRAM工藝中采用對(duì)稱馬賽克架構(gòu)（Symmetric-Mosaic）的32-Gb 8.0-Gb/s/pin DDR5 SDRAM 》繼續(xù)推動(dòng) DDR5 性能的進(jìn)步。三星的目標(biāo)是通過(guò)其新提出的架構(gòu)將DRAM容量提高一倍。

目前，最高容量的DDR5內(nèi)存采用基于16 Gb裸片并采用10納米工藝制造的3D堆疊架構(gòu)。隨著終端產(chǎn)品中采用128Gb模塊的需求不斷增加，三星在論文中描述了一款單片32 Gb高密度DDR5裸片，仍采用 10 納米工藝。三星稱，基于32 Gb裸片的3D堆疊系統(tǒng)將提高性能，在8個(gè)芯片堆棧中使用時(shí)可支持高達(dá)1TB的內(nèi)存，并實(shí)現(xiàn)每個(gè)引腳每秒8 Gb的速度。

三星表示，“馬賽克”架構(gòu)分區(qū)可以克服傳統(tǒng)DRAM大小限制，可以在不改變整體外形尺寸或減少芯片蝕刻幾何尺寸的情況下，大幅提高DRAM容量。根據(jù)三星的測(cè)算，基于32 GB的 0.5 TB DIMM比基于 16 GB 的DIMM功耗低30%，使其成為數(shù)據(jù)中心和其他容量和功耗要求較高的計(jì)算應(yīng)用的理想選擇。

AI與存算一體：尋求計(jì)算架構(gòu)上的突破

本屆ISSCC2024上，關(guān)于針對(duì)人工智能高算力芯片計(jì)算架構(gòu)的研究頗具活力。大語(yǔ)言模型的訓(xùn)練和推理所產(chǎn)生的巨大算力和能耗成為AI計(jì)算的主要限制。ISSCC2024上對(duì)此進(jìn)行了大量有關(guān)高性能計(jì)算的當(dāng)前和下一代電路、架構(gòu)和系統(tǒng)的討論，以解決與大語(yǔ)言模型相關(guān)的算力和能效挑戰(zhàn)，包括GPU和HPC系統(tǒng)、云服務(wù)器SoC、加速器、高帶寬存儲(chǔ)訪問(wèn)、封裝內(nèi)高帶寬內(nèi)存和內(nèi)存中的DRAM 處理等。

其中，機(jī)器學(xué)習(xí)加速器和存算一體的研究值得關(guān)注。機(jī)器學(xué)習(xí)加速器和CIM架構(gòu)位于啟用AI和ML工作負(fù)載的前沿，ISSCC 2024對(duì)這些領(lǐng)域給予顯著關(guān)注。隨著AI應(yīng)用在復(fù)雜性和普遍性上的增長(zhǎng)，對(duì)專門硬件的需求日益迫切，這些硬件能夠以能源高效的方式提供高計(jì)算功率。關(guān)于ML硬件的會(huì)議重點(diǎn)則放在支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的擴(kuò)展和AI算法的高效執(zhí)行的架構(gòu)創(chuàng)新和設(shè)計(jì)策略上，強(qiáng)調(diào)硬件軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的重要性以及內(nèi)存計(jì)算在革新AI處理中的潛力。

由于存算一體出色的能效比和計(jì)算速度，其正在成為取代通用GPU執(zhí)行人工智能計(jì)算的最佳選擇。目前，國(guó)內(nèi)的高校如清華大學(xué)、北京大學(xué)等均在積極推進(jìn)存算一體架構(gòu)的研究與發(fā)展。在本屆ISSCC會(huì)議上展示了許多研究成果，預(yù)示著中國(guó)未來(lái)憑借存算一體技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的超越。

中國(guó)研發(fā)：先進(jìn)處理器、AI大芯片差距依然明顯

中國(guó)（包括內(nèi)地、香港、澳門）今年入選ISSCC的論文數(shù)量繼續(xù)蟬聯(lián)第一，達(dá)到69篇（全球?yàn)?34篇），相較于去年從ISSCC 2023的入選論文數(shù)量進(jìn)一步增加。具體發(fā)表情況為，澳門大學(xué) 14篇，清華大學(xué)13篇，東南大學(xué)6篇，北京大學(xué)5篇，中科大5篇，南科大5篇，電子科大4篇，復(fù)旦大學(xué)3篇，浙江大學(xué)2篇，港中大（深圳）2篇，中國(guó)科學(xué)院微電子所2篇，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所1篇，西安交大1篇，華東師范1篇，上海交大1篇，中山大學(xué)1篇，北京理工大學(xué)1篇，同濟(jì)大學(xué)1篇，萬(wàn)高科技（杭州）1篇。

這首先表明國(guó)內(nèi)在集成電路設(shè)計(jì)方面的學(xué)術(shù)研究水平快速提升，我國(guó)在芯片設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力方面得到長(zhǎng)足進(jìn)步。但是依然需要看到，國(guó)內(nèi)成果更多地屬于學(xué)術(shù)導(dǎo)向的研究，應(yīng)用和需求牽引導(dǎo)向的研究成果仍然較少，這就導(dǎo)致研究成果與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用之間存在很大的鴻溝。而美國(guó)方面，雖然目前在文章數(shù)量上少于我國(guó)，但是有大量的巨頭芯片公司所主導(dǎo)的成果被發(fā)表。在產(chǎn)業(yè)需求主導(dǎo)的成果上，我國(guó)差距依然很大。此外，還應(yīng)注意到的是，單純從文章數(shù)量方面我國(guó)取得了領(lǐng)先，但是主要集中在模擬、電源等小芯片方面，在先進(jìn)處理器、AI大芯片等方面，我們?nèi)匀徊罹噍^大。

當(dāng)然，同樣是一篇成果，大芯片所需要的研發(fā)資源、資金、流片工藝水平、團(tuán)隊(duì)規(guī)模等方面都要比小芯片要復(fù)雜得多，高校團(tuán)隊(duì)很難在這些方面與國(guó)際巨頭芯片企業(yè)相抗衡。因此，無(wú)論是企業(yè)還是高校，依然要清醒認(rèn)識(shí)到差距，對(duì)未來(lái)前行的困難要做好充分的心理準(zhǔn)備，才能更好更快地追趕上國(guó)際先進(jìn)水平。