5G将为媒体和娱乐行业带来1.3万亿美元的新收入
06-06
文章阿里巴巴达摩院；分析点评：半导体行业观察点评：2020年，平头哥陆续发布了全球首款性能突破7.0（7.1 Coremark/MHz）大关的RISC-V处理器玄铁，由SoC架构、处理器、各类IP组成的“五剑”SoC平台、操作系统、软件驱动和开发工具等模块，以及全球最高性能的推理芯片含光。
再加上阿里巴巴在应用生态、算法、软件等方面的深厚积累，阿里巴巴对芯片行业的洞察是很多其他厂商无法比拟的。
因此，这份报告具有重要的参考价值。
这真是科幻的一年。
进入新的一年，感觉就像回到了久违的未来。
新十年的科技浪潮已经开始，期待已久的智能革命将迎来颠覆性的技术变革。
达摩院今日发布十大技术趋势。
我们希望与您一起见证期待已久或从未预料到的变化，沿着技术演进的曲线寻找我们从哪里来，又要去哪里。
趋势一、人工智能从感知智能进化到认知智能 【趋势总结】人工智能在“听、说、看”等感知智能领域已达到或超越人类水平，但需要外部知识、逻辑推理或领域。
认知智能转移领域仍处于起步阶段。
认知智能将从认知心理学、脑科学和人类社会历史中汲取灵感，结合跨领域知识图谱、因果推理、持续学习等技术，建立稳定获取和表达知识的有效机制，使知识能够被利用通过机器。
理解并应用它，实现从感知智能到认知智能的关键突破。
趋势二：计算与存储融合，突破AI算力瓶颈 【趋势总结】冯诺依曼架构中存储与计算的分离已经不再适合数据驱动的人工智能应用需求。
频繁的数据传输带来的计算瓶颈和功耗瓶颈已经成为探索更先进算法的限制因素。
内存计算架构类似于脑神经的结构，将数据存储单元和计算单元合二为一，可以显着减少数据处理量，大幅提高计算并行度和能源效率。
计算与存储融合的硬件架构创新将突破AI算力瓶颈。
趋势三、工业互联网超融合【趋势概要】5G、物联网设备、云计算、边缘计算的快速发展将推动工业互联网超融合，实现工业控制系统、通信的智能融合系统和信息系统。
制造企业将实现设备自动化、运输自动化和生产调度自动化，从而实现柔性制造。
同时，工厂上下游生产线可以实时调整、协作。
这将显着提高工厂生产效率和企业盈利能力。
对于产值数百万亿甚至千亿的工业行业来说，效率提高5%至10%，将产生数万亿元的价值。
趋势四：机器间大规模协作成为可能 【趋势总结】传统单一智能无法满足大规模智能设备的实时感知和决策。
物联网协同传感技术和5G通信技术的发展将实现多个智能体之间的协作——机器之间相互配合、相互竞争，完成目标任务。
多智能体协作带来的群体智能将进一步放大智能系统的价值：大规模智能红绿灯调度将实现动态实时调整、仓库机器人协同完成货物分拣的高效协作、无人驾驶车辆可感知全球路况、群体无人机协作将有效打通最后一公里配送。
趋势五：模块化降低芯片设计门槛 【趋势总结】传统芯片设计模式无法高效应对芯片需求的快速迭代、定制化和碎片化。
以RISC-V为代表的开放指令集及其相应的开源SoC芯片设计、高级抽象硬件描述语言和基于IP的模板芯片设计方法，推动了芯片敏捷设计方法和开源芯片生态的快速发展。
此外，基于chiplet的模块化设计方法，采用先进的封装方法，将不同功能的“芯片模块”封装在一起，无需跳过流片即可快速定制出满足应用需求的芯片，进一步加快了芯片的交付速度。
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【趋势解读】AIoT时代，世界上的一切正在逐渐走向在线化、数字化、智能化。
这不仅会带来芯片需求的爆发式增长，形成巨大的市场空间，而且其碎片化、定制化的特点也会对芯片设计产生影响。
该模型提出了新的要求。
芯片行业传统的比较投资、品牌、技术的“大鱼吃小鱼”模式正逐渐被比较市场敏感度、需求适应、速度和价格的“快鱼吃慢鱼”模式所取代。
在应用驱动的趋势下，谁能快速推出专用芯片，谁就能抢占市场先机。
越来越多的系统和应用服务公司正在推出专用芯片。
例如，苹果、谷歌、阿里巴巴、亚马逊、特斯拉等应用公司已经开始进入芯片设计领域，自行或联合开发芯片产品。
现有芯片设计模式存在研发成本高、周期长等问题。
开发一款中端芯片往往需要数百人、数千万甚至上亿美元的研发投入，这不仅严重阻碍了芯片创新的速度。
尤其是随着芯片工艺从10nm缩减到7nm，再进一步缩减到5nm，每一次工艺缩减所需的成本和开发时间都大大增加。
在成本和市场压力的推动下，半导体行业正在积极寻找新的芯片开发模式，以满足低成本、快速的需求。
基于IP的可复用设计方法，解决了芯片功能模块重复设计的问题，使得芯片能够进行模块化设计。
不同功能的IP模块可以在不同的芯片中复用。
这种方法促进了片上系统的普及。
近年来，以RISC-V为代表的开放指令集及其相应的开源SoC芯片设计、以Chisel为代表的高级抽象硬件描述语言以及基于IP的模块化模板芯片设计方法，推动了敏捷芯片设计。
随着开源芯片生态系统的快速发展，越来越多的芯片公司开始尝试开源硬件架构进行设计。
面向未来，“chiplet”模块化设计方法正在成为行业新趋势。
这种方法将复杂的功能分解，开发出多种具有单一特定功能的“chiplet”，如数据存储、计算、信号处理、数据流管理等功能。
这些具有不同功能的chiplet被用于模块化组装，将不同的计算机部件集成在一块硅芯片上，以实现更小、更紧凑的计算机系统结构。
过去，设计SoC需要从不同的IP供应商购买IP，包括软核IP或硬核IP，然后与自研模块组合形成SoC，然后完成芯片设计和开发。
在一定的制造工艺节点上进行生产。
完整的过程。
未来计算机的系统结构可能不是由单独封装的芯片制造的，而是由在更大的硅晶圆上互连成芯片网络的Chiplet制造的。
模块化芯片技术最终可以像搭积木一样“组装”芯片。
趋势六：大规模生产级区块链应用将走进大众 【趋势概要】区块链BaaS（区块链即服务）服务将进一步降低企业应用区块链技术的门槛。
专为区块链、云端、各种固化核心算法的链硬件芯片设计的终端也将涌现，实现实体世界资产与链上资产的锚定，进一步拓展价值互联网的边界，实现万千互联。
链。
未来，将会出现大量创新的区块链应用场景以及跨行业、跨生态的多维度协作，日活用户超过千万的大规模生产级区块链应用将向公众开放。
趋势七：量子计算进入关键期 【趋势总结】2016年的“量子霸权”争夺战，再次让量子计算成为世界科技的焦点。
超导量子计算芯片的成果增强了业界对超导路线和实现大规模量子计算步伐的乐观预期。
2020年，量子计算领域将经历投资进一步加大、竞争加剧、产业化加速、生态更加丰富的阶段。
作为最关键的两个技术里程碑，容错量子计算和展示实用量子优势将是量子计算实用化的转折点。
未来几年，真正实现其中任何一个都将是一项非常艰巨的任务，量子计算将进入技术挑战期。
趋势八、新材料推动半导体器件创新 【趋势总结】在摩尔定律放缓和算力和存储需求爆发的双重压力下，基于硅的经典晶体管难以维持半导体的可持续发展行业。
各大半导体厂商对于3纳米以下芯片的走向并没有明确的答案。
新材料将通过新的物理机制实现新的逻辑、存储和互连概念和器件，推动半导体行业的创新。
例如，拓扑绝缘体、二维超导材料等可以实现无损电子和自旋输运，可以成为新型高性能逻辑和互连器件的基础；新型磁性材料和新型阻变材料可以带来高性能磁存储器，如SOT-MRAM和阻变存储器。
【趋势解读】半个世纪以来，半导体行业一直极力遵循摩尔定律，在取得巨大经济效益的同时，也从根本上改变了人类社会的发展进程。
人工智能和大数据的兴起给云端和终端设备带来更多创新的同时，也让半导体行业的发展面临着摩尔定律放缓和人工智能爆发带来的产品升级困难的双重压力。
大数据带来的计算能力和存储需求。
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传统硅基晶体管的微缩化变得越来越难以维持，使得半导体产业难以实现可持续发展。
尽管高k电介质、FinFET和铜线等新材料和器件架构扩大了传统半导体制造商的选择并逐渐成为主流，但它们并没有从根本上改变传统的逻辑、存储和互连原理以及物理原理。
这些设备面临的主要困难。
对于3纳米以下的芯片走向，各大半导体厂商还没有明确的答案，但一定的趋势是，半导体行业将采用越来越多的新材料，而这些新材料将通过新的物理机制。
实施新的逻辑、存储和互连概念和设备。
点评：台积电曾表示，包括黑磷、硫化钼、硫化钨和铋在内的新型二维材料体系，具有与原子层数或尺度、形貌密切相关的范德华键合、电子结构特性等特性。
它们将在3nm节点以下的集成技术中发挥重要作用。
在不久的将来，锗、III-V族材料等新材料可能会取代传统的硅作为晶体管的沟道材料，以提高晶体管的速度。
铁电体等新型介电材料可能会产生超陡的亚阈值斜率，从而降低晶体管的能耗。
钴等新金属材料可能会取代互连线中的钨和铜，以增强稳定性并减缓信号延迟。
二维材料或外延生长的材料纳米层可能会形成 3D 堆叠架构，以增加芯片密度。
这些设备的物理机制是清楚的。
当然，大规模应用需要半导体制造商解决工艺实施和工程支持方面的挑战。
点评：III-V族材料也有可能取代传统硅作为晶体管的沟道材料，提高晶体管的速度。
因为研究表明，砷化铟镓（InGaAs）、砷化镓（GaAs）和砷化铟（InAs）与FinFET和GAAFET的集成在更小的节点上表现出优异的性能；而铁电体等介电材料中钴的引入可能会实现超陡的亚阈值斜率，从而降低晶体管的能耗；钴还可以取代钨和铜作为互连线，以增强稳定性并减慢信号延迟。
尽管下一代晶体管材料的选择尚未最终确定，但使用新材料制造核心已是不可逆转的趋势。
从更长远的角度来看，更具挑战性的材料和新的物理机制将是半导体行业能够维持甚至加速指数增长的关键。
新的物理机制是新型高性能逻辑和互连器件的基础，如基于量子效应的强相关材料和拓扑绝缘体、新发现的二维材料魔角超导现象等，这将带来无损电子和自旋输运。
利用新型磁性材料的自旋轨道耦合现象可以制备新型高性能磁存储器如SOT-MRAM，利用新型阻变现象使得创造新型高密度、高稳定性阻变存储器（RRAM）成为可能。
）。
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尽管这些新的工作机制仍处于早期探索阶段，但它们可以从根本上解决传统器件在物理原理层面的局限性，实现摩尔定律的突破。
新材料、新机制将彻底洗牌传统半导体产业，包括材料生长、器件制备、电路工作原理等方面的根本性变化。
这将为设备制造商、晶圆厂和电路设计公司带来历史性的挑战和机遇，也将为新兴公司和行业提供令人兴奋的发展机遇。
点评：在过去几十年半导体制造工艺的演变过程中，硅芯片层遇到了许多挑战。
挑战1.在45nm时，二氧化硅绝缘层的泄漏达到了无法容忍的程度。
但当时业界的HKMG工艺以高k电介质取代了二氧化硅，传统的多晶硅-二氧化硅-单晶硅结构转变为金属-高K-单晶硅结构，使得晶体管能够继续收缩。
标准晶体管和 HKMG 晶圆之间的比较 挑战 2：在 22nm 工艺下，工程师正在努力应对通道关断泄漏问题。
然而，胡正明教授推出的FinFET突破了传统MOSFET的限制，让原来的源极、栅极和漏极之间的沟道变成了板状，增加了栅极和沟道之间的接触面积。
这使得源电极和漏电极之间的电子流动更加可控。
这一伟大的发明帮助行业攻克了又一个“难关”。
传统平面晶体管与3D FinFET对比挑战三：芯片工艺逼近5nm，接近物理极限。
要想进一步发展，必须从根本上进行改变。
相关分析表明，FinFET的出现虽然解决了20nm工艺以下的漏电问题，但由于FinFET是3D结构，这带来了散热问题。
这意味着，如果我们进一步缩小FinFET晶体管的尺寸，不仅会继续出现漏电问题，还会出现自发热、阈值平坦化等问题。
为此，探索新材料已成为行业共识。
这也是三星今年5月在晶圆制造论坛上宣布将选择GAA（gate all around）作为3nm下一代晶体管的原因。
值得一提的是，除了硅材料外，GAA晶体管还可以使用InGaAs和锗纳米线等材料，这些材料可以使晶体管中的电子更容易移动。
GAA和FinFET对比（SISC相关内容：在3nm节点，三星将从FinFET晶体管转向GAA环绕栅晶体管技术。
3nm工艺采用第一代GAA晶体管，正式称为3GAE工艺。
）基于新型GAA晶体管结构方面，三星采用纳米片设备制造MBCFET（Multi-Bridge-ChannelFET，多桥通道场效应晶体管）。
该技术可以显着增强晶体管性能，主要取代FinFET晶体管技术。
此外，MBCFET技术还与现有FinFET制造工艺技术和设备兼容，从而加速工艺开发和生产。
趋势九：保护数据隐私的AI技术将加速落地【趋势总结】数据流通产生的合规成本越来越高。
利用AI技术保护数据隐私正在成为新的技术热点。
它可以在与用户共同实施具体计算的同时，保证各方数据安全和隐私，解决数据孤岛和数据共享可信度低的问题，实现数据的价值。
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趋势十、云成为IT技术创新的中心 【趋势总结】随着云技术的深入发展，云已经远远超出了IT基础设施的范围，逐渐演变成一切IT技术创新的中心。
云已经渗透到新型芯片、新型数据库、自驱动自适应网络、大数据、人工智能、物联网、区块链、量子计算等整个IT技术链。
同时也催生了无服务器计算、云原生软件架构、软件等。
云以硬件集成设计、智能自动化运维等新技术模式，正在重新定义IT的一切。
广义的云正在不断将新的IT技术转化为可访问的服务，成为整个数字经济的基础设施。
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