微電子芯片，也被稱為集成電路（IC），是現(xiàn)代社會(huì)的核心。作為電子設(shè)備的重要組成部分，集成電路促進(jìn)了通信、計(jì)算、醫(yī)療、軍事系統(tǒng)、交通、清潔能源以及無(wú)數(shù)其他對(duì)美國(guó)國(guó)家和經(jīng)濟(jì)安全至關(guān)重要的應(yīng)用的發(fā)展。分立半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器（DRAM和NAND）目前幾乎占所有集成電路銷售的三分之一，并且比半導(dǎo)體行業(yè)任何其他領(lǐng)域增長(zhǎng)更快，預(yù)計(jì)這一趨勢(shì)將持續(xù)下去。目前，存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)芯片約占世界300mm半導(dǎo)體晶圓產(chǎn)量的三分之二。

在數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)和當(dāng)前“數(shù)據(jù)爆炸”時(shí)代推動(dòng)下，計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)中生成和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這也使得半導(dǎo)體內(nèi)存和存儲(chǔ)在整個(gè)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。隨著數(shù)據(jù)的持續(xù)增長(zhǎng)，工作負(fù)載和應(yīng)用程序被迫遷移到內(nèi)存容量更大的體系結(jié)構(gòu)。此外，存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步為半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，其迭代速度大約是前沿邏輯的兩倍，需要世界上最先進(jìn)的制造工藝技術(shù)和工具。

與其他國(guó)家相比，美國(guó)在存儲(chǔ)領(lǐng)域中的競(jìng)爭(zhēng)力面臨著幾個(gè)挑戰(zhàn)，包括規(guī)模經(jīng)濟(jì)和更有限的投資激勵(lì)。隨著美國(guó)希望通過(guò)國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)中心（NSTC）加強(qiáng)對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的投資，在基礎(chǔ)存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域的投資和建立卓越存儲(chǔ)器聯(lián)盟，都對(duì)確保美國(guó)在整個(gè)微電子領(lǐng)域的持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。這一努力將需要許多不同的創(chuàng)新，包括新存儲(chǔ)器架構(gòu)、新材料、器件和工藝技術(shù)的想法，以及制造工具的進(jìn)步。

在本文中，美光和西部數(shù)據(jù)概述了存儲(chǔ)器行業(yè)，并詳細(xì)介紹了美國(guó)存儲(chǔ)器行業(yè)面臨的競(jìng)爭(zhēng)挑戰(zhàn)，確定了與存儲(chǔ)器領(lǐng)域相關(guān)的特定技術(shù)重點(diǎn)領(lǐng)域，并針對(duì)每個(gè)領(lǐng)域提出了建議。

背景

過(guò)去70年里，半導(dǎo)體電子技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)并增強(qiáng)了無(wú)數(shù)行業(yè)，如電信（廣播、電視、電話、互聯(lián)網(wǎng)）、商業(yè)、航空航天和國(guó)防以及銀行等產(chǎn)業(yè)。我們生活的方方面面都與半導(dǎo)體交織在一起，因此半導(dǎo)體在美國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和國(guó)家安全中發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而，與其他細(xì)分市場(chǎng)相比，半導(dǎo)體行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的成本（資本和運(yùn)營(yíng)）較高。美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)每年將約五分之一的收入投入研發(fā)（2020年為440億美元），在美國(guó)主要行業(yè)中所占比例第二高，僅次于制藥業(yè)。持續(xù)的進(jìn)步對(duì)于提高美國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要，這需要在核心研究、制造技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)系統(tǒng)方面加大持續(xù)投資。

根據(jù)Gartner，Inc.的調(diào)查結(jié)果，2021全球半導(dǎo)體收入總計(jì)5950億美元，比2020年增長(zhǎng)26.3%。這一收入增長(zhǎng)是由不斷增長(zhǎng)的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施需求以及Covid-19大流行推動(dòng)的。圖1顯示了2021年各細(xì)分市場(chǎng)的情況。

在宏觀層面上，半導(dǎo)體行業(yè)由四個(gè)主要部分組成，在基本固態(tài)技術(shù)方面具有共同的基礎(chǔ)，每個(gè)部分都有獨(dú)特的需求和專長(zhǎng)：邏輯；存儲(chǔ)器/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；模擬；以及光電、傳感器和分立（OSD）元件。

邏輯部分的特點(diǎn)是處理數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的集成電路，其組件需要不斷縮放以在成本、性能、功率和特征方面具有競(jìng)爭(zhēng)力。例如微處理器、圖形處理器、無(wú)線基帶處理器、無(wú)線片上網(wǎng)絡(luò)和微控制器等等。豐富的消費(fèi)后市場(chǎng)的產(chǎn)品需求支撐著電信和互聯(lián)網(wǎng)（數(shù)據(jù)中心、智能手機(jī)、游戲設(shè)備等）先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。在過(guò)去的十年里，不斷重新開(kāi)發(fā)和改進(jìn)的邏輯芯片成本過(guò)高，這使得全球只有少數(shù)幾家最大的公司擁有生產(chǎn)能力。

存儲(chǔ)器/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的特點(diǎn)是，在性能和保持要求的范圍內(nèi)存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的集成電路組件。該細(xì)分市場(chǎng)由DRAM和NAND技術(shù)和產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位，需要一些最先進(jìn)和尖端的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。DRAM和NAND分別被用作幾乎所有電子應(yīng)用程序和系統(tǒng)的工作存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器，包括智能手機(jī)、個(gè)人電腦、服務(wù)器和車輛。雖然DRAM和NAND有一些相似之處，但它們也有一些關(guān)鍵的區(qū)別，這將在下一節(jié)中討論。

存儲(chǔ)器領(lǐng)域的獨(dú)特之處在于，技術(shù)創(chuàng)新對(duì)于嵌入式集成電路技術(shù)（主要由制造廠生產(chǎn)）和獨(dú)立產(chǎn)品（在專用設(shè)施生產(chǎn)）是同等重要的。到目前為止，半導(dǎo)體行業(yè)依靠摩爾定律的縮放優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)經(jīng)歷了可預(yù)測(cè)的發(fā)展節(jié)奏。然而，這種節(jié)奏被接近原子縮放極限技術(shù)所阻礙。向3D架構(gòu)設(shè)計(jì)方法的過(guò)渡可以擴(kuò)展這些技術(shù)的進(jìn)步，特別是在基于半導(dǎo)體的存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)的情況下。鑒于對(duì)這些技術(shù)的爆炸性需求，以及對(duì)更高性能、更高能效和更先進(jìn)功能的迅速增長(zhǎng)的需求，基于半導(dǎo)體的內(nèi)存和存儲(chǔ)的重點(diǎn)發(fā)展至關(guān)重要。

模擬部分包括必須與連續(xù)、非離散（非數(shù)字）信息（例如來(lái)自傳感器、電氣設(shè)備和空中廣播的信息）接口的集成電路組件。該部分包括混合信號(hào)控制，其中模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，反之亦然。這類半導(dǎo)體采用專門的工藝技術(shù)，調(diào)整高靈敏度精度要求，往往使用非前沿（稱為傳統(tǒng)或落后工藝節(jié)點(diǎn)）技術(shù)制造。

最后一類是其他半導(dǎo)體技術(shù)的總稱：光電子、傳感器和分立（OSD）元件。特別是，分立元件執(zhí)行單獨(dú)的電子功能，如電阻器、晶體管和整流器。與模擬組件一樣，這些芯片使用跟蹤技術(shù)處理節(jié)點(diǎn)，或者在某些分立器件的情況下，使用完全不同且不太嚴(yán)格的工藝。

考慮到半導(dǎo)體在美國(guó)經(jīng)濟(jì)和國(guó)防所有領(lǐng)域發(fā)揮的關(guān)鍵作用，美國(guó)政府資助的研究支出迫切需要反映出該行業(yè)對(duì)國(guó)家未來(lái)安全和經(jīng)濟(jì)健康的重要性。雖然聯(lián)邦政府占美國(guó)半導(dǎo)體研發(fā)總投資的13%，但這一比例遠(yuǎn)低于所有其他技術(shù)部門22%的平均水平，見(jiàn)圖2。美國(guó)在半導(dǎo)體行業(yè)的強(qiáng)大領(lǐng)導(dǎo)地位是公認(rèn)的。隨著內(nèi)存在下一代計(jì)算中的重要性日益增加，美國(guó)聯(lián)邦投資必須優(yōu)先考慮內(nèi)存和存儲(chǔ)研發(fā)。

存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)簡(jiǎn)介

正如所討論的，通過(guò)為人工智能、5G和數(shù)據(jù)中心提供基礎(chǔ)能力，內(nèi)存和存儲(chǔ)的進(jìn)步刺激了包括醫(yī)療保健、汽車、通信和國(guó)防在內(nèi)各行業(yè)的創(chuàng)新。由于這一點(diǎn)，以及前面提到的共同產(chǎn)生的“數(shù)據(jù)爆炸”，內(nèi)存和存儲(chǔ)已從2000年占全球半導(dǎo)體行業(yè)收入的10%增長(zhǎng)到今天約占行業(yè)收入的30%。隨著技術(shù)進(jìn)步對(duì)密度、性能和先進(jìn)功能的要求不斷提高，這一趨勢(shì)將持續(xù)下去。例如，與4G手機(jī)相比，5G智能手機(jī)的內(nèi)存（DRAM）增加了50%，存儲(chǔ)（NAND）內(nèi)容增加了一倍。今天的自動(dòng)駕駛車輛需要與高級(jí)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器一樣多的DRAM和NAND存儲(chǔ)。隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和擴(kuò)散，內(nèi)存消耗將繼續(xù)增加。國(guó)際數(shù)據(jù)公司（IDC）預(yù)測(cè)，到2025年，全球?qū)a(chǎn)生175ZB（每ZB等于一萬(wàn)億GB）的數(shù)據(jù)。信息存儲(chǔ)支撐著這種數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)，使半導(dǎo)體存儲(chǔ)器幾乎滲透到日常生活的方方面面，并為更廣泛的半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展設(shè)定了步伐。

存儲(chǔ)器在電子系統(tǒng)中無(wú)處不在的特性意味著存儲(chǔ)單元約占半導(dǎo)體制造中整個(gè)器件數(shù)量的85%。然而，美國(guó)的存儲(chǔ)器制造僅占全球總量的2%?？紤]到DRAM和NAND在所有計(jì)算中的重要作用，以及作為以數(shù)據(jù)為中心的基礎(chǔ)設(shè)施需求的基礎(chǔ)，這種增長(zhǎng)將繼續(xù)下去。DRAM和NAND通過(guò)增強(qiáng)精準(zhǔn)醫(yī)療能力、優(yōu)化智能制造、為金融服務(wù)提供動(dòng)力以及幫助實(shí)現(xiàn)自主交通，開(kāi)啟了經(jīng)濟(jì)機(jī)遇。由于存儲(chǔ)技術(shù)在美國(guó)經(jīng)濟(jì)中的重要作用和數(shù)據(jù)安全的重要性，美國(guó)保持存儲(chǔ)技術(shù)的領(lǐng)先地位至關(guān)重要。聯(lián)邦倡議，如提議的NSTC，提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)，來(lái)支持持續(xù)的國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新，從而支持美國(guó)的國(guó)家和經(jīng)濟(jì)安全。

一、NAND和DRAM擴(kuò)展

雖然DRAM和NAND閃存在基本結(jié)構(gòu)器件形成和后端金屬化方面具有相似的技術(shù)元素，但它們也驅(qū)動(dòng)著不同的獨(dú)特的前沿半導(dǎo)體技術(shù)需求。NAND具有幾個(gè)獨(dú)特的要求，特別是與高寬高比蝕刻相關(guān)的技術(shù)，其比一般的邏輯應(yīng)用先進(jìn)得多。類似地，DRAM需要精確沉積獨(dú)特的材料和領(lǐng)先的光刻技術(shù)，用于其他半導(dǎo)體部分不需要的高密度電容器結(jié)構(gòu)。對(duì)于DRAM和NAND來(lái)說(shuō)，一代比特增長(zhǎng)、成本降低以及最終各種終端產(chǎn)品的性能取決于健康的擴(kuò)展路線圖。

二、新興和其他存儲(chǔ)

還有其他存儲(chǔ)器技術(shù)填補(bǔ)了利基應(yīng)用和市場(chǎng)，包括獨(dú)立SRAM、NOR閃存和掩?？?a target="_blank">編程ROM等不容易被DRAM和NAND閃存填補(bǔ)的易失性和非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)。“新興存儲(chǔ)器”類別包括專注于新型材料和架構(gòu)的開(kāi)發(fā)，是專注于解決整個(gè)計(jì)算范式中新層的的新進(jìn)企業(yè)，以及解決現(xiàn)有DRAM和NAND路線圖的更長(zhǎng)范圍擴(kuò)展限制。這些新興存儲(chǔ)器包括用于存儲(chǔ)單元的新型材料-電阻RAM、相變材料（PCM）、磁性RAM （MRAM）和基于鐵電材料的RAM （FeRAM）。雖然ReRAM和PCM在利基應(yīng)用中取得了有限的成功，但它們不能作為DRAM和NAND閃存架構(gòu)的替代技術(shù)。

三、未來(lái)技術(shù)趨勢(shì)和挑戰(zhàn)

數(shù)據(jù)密度、帶寬能力和電源管理方面的持續(xù)改進(jìn)仍然是內(nèi)存和存儲(chǔ)行業(yè)的優(yōu)先事項(xiàng)。這些優(yōu)先事項(xiàng)將通過(guò)新的創(chuàng)新材料和工藝技術(shù)，結(jié)合2.5D和3D支持的新計(jì)算架構(gòu)和模式，以及更先進(jìn)的系統(tǒng)芯片（SoC）和封裝解決方案，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的技術(shù)擴(kuò)展。鑒于當(dāng)今最先進(jìn)的半導(dǎo)體解決方案的集成水平，這一研發(fā)工作還需要包括技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。這一生態(tài)系統(tǒng)涵蓋了美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和學(xué)術(shù)界的核心研究、內(nèi)在工藝能力的設(shè)備供應(yīng)商、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品進(jìn)步的異構(gòu)封裝創(chuàng)新，以及與產(chǎn)能增長(zhǎng)保持同步的成本效益測(cè)試方法。

隨著DRAM進(jìn)入下一個(gè)開(kāi)發(fā)階段，由于該技術(shù)接近其基于當(dāng)前確定的材料和工藝的基本物理極限，它將面臨若干挑戰(zhàn)。這些限制包括非常昂貴的極紫外（EUV）光刻，其需要顯著的每比特成本縮放。當(dāng)今最先進(jìn)的設(shè)備和系統(tǒng)中的尖端DRAM是基于大約12納米至15納米的最小特征，這是由于DRAM的結(jié)構(gòu)要求光刻能力超出最先進(jìn)的邏輯要求。隨著傳統(tǒng)DRAM擴(kuò)展的物理極限逼近，出現(xiàn)了顛覆性技術(shù)轉(zhuǎn)型的機(jī)會(huì)，這將對(duì)行業(yè)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生重大影響。與NAND的開(kāi)發(fā)類似，全球各地的研發(fā)人員都在努力通過(guò)遷移到3D來(lái)顛覆平面DRAM技術(shù)。雖然相當(dāng)多的研發(fā)人員已經(jīng)探索了取代DRAM的各種類型的內(nèi)存技術(shù)，但沒(méi)有一種技術(shù)能夠在速度、可靠性和可擴(kuò)展性方面與DRAM競(jìng)爭(zhēng)。

NAND閃存體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)遷移到3D，每一個(gè)連續(xù)的新一代3D NAND驅(qū)動(dòng)器都會(huì)通過(guò)添加更多的存儲(chǔ)層來(lái)增加位的面積密度，這也導(dǎo)致存儲(chǔ)器陣列的橫向縮放以增加對(duì)存儲(chǔ)器位的接觸，從而降低每個(gè)新3D節(jié)點(diǎn)提供的越來(lái)越便宜的存儲(chǔ)器能力。與DRAM類似，隨著行業(yè)發(fā)展到數(shù)百甚至數(shù)千層，工藝變得越來(lái)越復(fù)雜，單片3D NAND解決方案需要巨大的未來(lái)創(chuàng)新，以繼續(xù)實(shí)現(xiàn)性能和成本的進(jìn)步。

為了幫助確保存儲(chǔ)器技術(shù)中比特密度縮放和/或比特成本降低的持續(xù)步伐，必須在基于替代存儲(chǔ)機(jī)制的“新興”和新存儲(chǔ)器概念中加強(qiáng)額外的研究路徑，還必須同時(shí)關(guān)注架構(gòu)創(chuàng)新，以利用新內(nèi)存技術(shù)所支持的功能，并最大限度地提高市場(chǎng)上終端應(yīng)用的系統(tǒng)級(jí)性能和成本效益。這些新的存儲(chǔ)器系統(tǒng)概念化，或邏輯存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的重新構(gòu)想，可以產(chǎn)生更高效的系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)靈活使用存儲(chǔ)器和邏輯器件進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得顯著的系統(tǒng)級(jí)性能增益，避開(kāi)當(dāng)前的限制。

此外，還需要進(jìn)一步投資開(kāi)發(fā)新的芯片堆疊方法，即所謂的異構(gòu)集成（HI），這也就需要多芯片鍵合和專用封裝。這項(xiàng)技術(shù)將計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中尚未統(tǒng)一集成的不同部分緊密結(jié)合在一起，從而提供了更高的信息傳輸速度和能耗降低。HI還允許實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)的線和焊球連接來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜和/或不切實(shí)際的新架構(gòu)。

內(nèi)存墻

當(dāng)前的數(shù)據(jù)處理方案依賴于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理分離的體系結(jié)構(gòu)，這就需要不斷地在內(nèi)存中來(lái)回傳輸信息，會(huì)在時(shí)間和精力上產(chǎn)生巨大的性能成本。“存儲(chǔ)墻”指的是系統(tǒng)中的時(shí)間和能量瓶頸，而由高級(jí)分析、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和視頻流驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)量的巨大增長(zhǎng)加劇了這一問(wèn)題。新的內(nèi)存創(chuàng)新始于，利用通過(guò)使內(nèi)存更集中于計(jì)算中心來(lái)消除高昂成本的數(shù)據(jù)移動(dòng)方法，從而創(chuàng)建所謂的“以內(nèi)存為中心”的體系結(jié)構(gòu)。組織機(jī)構(gòu)正在利用前所未有的內(nèi)存技術(shù)創(chuàng)新，使計(jì)算更接近數(shù)據(jù)源，從而大幅提高性能并開(kāi)啟技術(shù)轉(zhuǎn)型的新時(shí)代。研發(fā)領(lǐng)先的內(nèi)存技術(shù)是支持這一轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。

通過(guò)將計(jì)算功能放在DRAM附近（也稱為近內(nèi)存計(jì)算），可以獲得更大的效率增益。通過(guò)直接在用于內(nèi)存計(jì)算的快速內(nèi)存（如DRAM）上執(zhí)行計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。模擬計(jì)算和完全模擬加速器通過(guò)為每個(gè)存儲(chǔ)器單元提供大量可能的狀態(tài)，并并行地對(duì)大量數(shù)據(jù)執(zhí)行計(jì)算來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)展范圍以提高效率。雖然這是一個(gè)有前途的方向，但設(shè)備特性和可變性仍然是關(guān)鍵挑戰(zhàn)，合適的高質(zhì)量模擬存儲(chǔ)設(shè)備仍然難以找到。特定的綁定工作負(fù)載更適合特定類型的以內(nèi)存為中心的處理解決方案，或者處理解決方案的組合，而向特定領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)（DSA）發(fā)展的趨勢(shì)加劇了這種情況。DSA可以根據(jù)正在處理的工作負(fù)載或域的特性，調(diào)整體系結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的效率。

每個(gè)計(jì)算系統(tǒng)都有一個(gè)最大允許功率，在圖3中標(biāo)記為“系統(tǒng)功率墻”，是數(shù)據(jù)位傳輸（以GB/s為單位的帶寬）和數(shù)據(jù)移動(dòng)成本（PJ/B）的最大組合。雖然模擬加速器的效率最高，但只有某些工作負(fù)載適合這種計(jì)算方法，因此DSA將規(guī)定如何在新架構(gòu)和傳統(tǒng)架構(gòu)之間最佳地分配工作負(fù)載。

我們已經(jīng)開(kāi)始看到集成電路基礎(chǔ)設(shè)施的變革和存儲(chǔ)器的發(fā)展，為了支持日益數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生活方式的需求。內(nèi)存和存儲(chǔ)芯片技術(shù)已經(jīng)過(guò)渡到后摩爾定律體系：3D縮放模式，這一轉(zhuǎn)變推動(dòng)了下一代材料、單元工藝、器件、電路和架構(gòu)技術(shù)解決方案研發(fā)的重大轉(zhuǎn)變。利用基于第一原理的方法，需要一種有效的方法來(lái)探索和評(píng)估用于連續(xù)存儲(chǔ)芯片解決方案的新材料和器件。支持這種轉(zhuǎn)變的生態(tài)系統(tǒng)，包括用于材料、工藝、復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的工具，以及用于材料、結(jié)構(gòu)和TCAD建模的平臺(tái)，需要在支持持續(xù)3D縮放的道路上發(fā)展和成熟。

在這條道路上繼續(xù)前進(jìn)，需要對(duì)計(jì)算、內(nèi)存和存儲(chǔ)之間的交互進(jìn)行徹底的重新想象。最優(yōu)解決方案是將所有組件作為一個(gè)整體，包括材料、新型器件、電路設(shè)計(jì)、架構(gòu)和異構(gòu)（3D）封裝，同時(shí)將框架、操作系統(tǒng)、軟件和應(yīng)用程序優(yōu)化合并在一起，并仍然滿足新計(jì)量的安全要求和需求。

以內(nèi)存為中心的計(jì)算

以內(nèi)存為中心的計(jì)算是在內(nèi)存限制的工作負(fù)載下，以低能耗和高性能執(zhí)行高級(jí)計(jì)算的邏輯路徑，包括人工智能推理和訓(xùn)練。任何以內(nèi)存為中心的計(jì)算都需要從應(yīng)用程序到存儲(chǔ)位的集成創(chuàng)新，包括架構(gòu)、框架、操作系統(tǒng)和內(nèi)存系統(tǒng)。計(jì)算堆棧中的所有項(xiàng)目必須在系統(tǒng)級(jí)驅(qū)動(dòng)的以內(nèi)存為中心的范例中一起發(fā)展。

采用以內(nèi)存為中心的架構(gòu)為快速、高效的計(jì)算系統(tǒng)創(chuàng)造了巨大的潛力。但是，根據(jù)以數(shù)據(jù)為中心的工作負(fù)載結(jié)構(gòu)，需要在帶寬和能量之間進(jìn)行權(quán)衡。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，系統(tǒng)必須采用異構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4所示：1）從當(dāng)前通用的以計(jì)算為中心的體系結(jié)構(gòu)發(fā)展而來(lái)；2）采用新型專用加速器感知設(shè)計(jì)；3）采用以內(nèi)存為中心的、領(lǐng)域特定的新型架構(gòu)、數(shù)據(jù)移動(dòng)感知編程模型以及緊密耦合的內(nèi)存和計(jì)算架構(gòu)，將更多計(jì)算推向內(nèi)存。

圖5展示了當(dāng)前和未來(lái)以內(nèi)存為中心的計(jì)算新模式的構(gòu)建模塊。通過(guò)以3D方式堆疊內(nèi)存芯片（稱為高帶寬內(nèi)存（HBM）），并以2.5D方式將這些堆棧與系統(tǒng)集成，使工作負(fù)載更接近內(nèi)存。現(xiàn)在，人們正在探索新的存儲(chǔ)架構(gòu)，將邏輯功能插入到硅級(jí)的存儲(chǔ)芯片中，與存儲(chǔ)陣列一起，并在存儲(chǔ)陣列內(nèi)部，以實(shí)現(xiàn)深層內(nèi)存功能。將這種存儲(chǔ)器和計(jì)算協(xié)同再向前推進(jìn)一步，我們可以想象內(nèi)存和邏輯的完全融合，其中模擬內(nèi)存功能被安排來(lái)提供并發(fā)計(jì)算能力。

為了實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)技術(shù)的突破性發(fā)展，需要能夠與傳統(tǒng)器件集成的新概念和相關(guān)材料。為了與當(dāng)前的DRAM和NAND技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，任何新的存儲(chǔ)器或選擇設(shè)備的發(fā)現(xiàn)都必須在性能、功率、面積、功能、成本和復(fù)雜性等許多（如果不是全部）關(guān)鍵設(shè)備指標(biāo)方面提供顛覆性的優(yōu)勢(shì)。效益評(píng)估必須考慮整體系統(tǒng)級(jí)需求，并對(duì)材料、工藝、器件和電路以及系統(tǒng)架構(gòu)的整個(gè)堆棧進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試?？s放考慮已經(jīng)被推進(jìn)到可能需要利用固有的2D和1D材料設(shè)備解決方案的程度，并且可能需要在接近原子分辨率下工作的概念。重要的是理解基本的器件機(jī)制，以及某些設(shè)備概念缺陷（例如，可能涉及開(kāi)關(guān)機(jī)制中的原子運(yùn)動(dòng)），這通常會(huì)導(dǎo)致設(shè)備級(jí)別的可變性或隨機(jī)性。為了在大型陣列實(shí)施中使用，必須幾乎完全消除任何設(shè)備性能變化。

卓越存儲(chǔ)聯(lián)盟

為了確保美國(guó)在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)技術(shù)關(guān)鍵領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，NSTC應(yīng)制定并闡明，實(shí)現(xiàn)下一代這些技術(shù)的長(zhǎng)期（》5年）愿景和路線圖。

卓越存儲(chǔ)聯(lián)盟（MCOE）將支持這一時(shí)代的變革和所需的新技術(shù)創(chuàng)新。MCOE應(yīng)是跨行業(yè)、學(xué)術(shù)界和政府的重點(diǎn)工作，具有與克服本文概述中的挑戰(zhàn)相關(guān)的明確目標(biāo)，并應(yīng)與其他關(guān)鍵卓越聯(lián)盟（Coe）保持一致，以支持NSTC的總體目標(biāo)。

MCOE應(yīng)專注于存儲(chǔ)器的材料、工藝、3D結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)前研究，并與其他Coe在封裝和互連技術(shù)方面進(jìn)行合作，以實(shí)現(xiàn)下一代高能效計(jì)算和特定領(lǐng)域加速器?；顒?dòng)應(yīng)包括三維設(shè)計(jì)自動(dòng)化和建模工具/方法的開(kāi)發(fā)。MCOE還應(yīng)確定一系列全國(guó)性的內(nèi)存性能擴(kuò)展所面臨的重大挑戰(zhàn)，鼓勵(lì)整個(gè)美國(guó)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的大規(guī)模合作。

MCOE實(shí)現(xiàn)下一代解決方案的關(guān)鍵活動(dòng)包括：

材料、基礎(chǔ)工藝/計(jì)量技術(shù)和最先進(jìn)的分析技術(shù)的先進(jìn)研究和開(kāi)發(fā)

用于快速開(kāi)發(fā)和協(xié)同優(yōu)化復(fù)雜技術(shù)和系統(tǒng)的建模方法和工具

下一代3D存儲(chǔ)技術(shù)和支持矢量開(kāi)發(fā)

晶圓和芯片級(jí)的異構(gòu)集成（功能和/或物理）

X點(diǎn)陣列與先進(jìn)CMOS集成，用于新概念驗(yàn)證

解決堆疊存儲(chǔ)芯片相關(guān)挑戰(zhàn)的先進(jìn)封裝

卓越存儲(chǔ)聯(lián)盟（Memory Coalition of Excellence）的路線圖應(yīng)側(cè)重于使用新概念（如近內(nèi)存計(jì)算、內(nèi)存計(jì)算和模擬計(jì)算）的、以內(nèi)存為中心的計(jì)算架構(gòu)，旨在加速普遍的數(shù)據(jù)密集型工作負(fù)載（如人工智能推理和訓(xùn)練）。

基礎(chǔ)設(shè)施

NSTC基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)能夠開(kāi)發(fā)構(gòu)建原型的關(guān)鍵能力，以展示下一代微電子應(yīng)用的改變游戲規(guī)則的改進(jìn)。設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)提供先進(jìn)的內(nèi)存/存儲(chǔ)、邏輯和模擬系統(tǒng)原型，并支持支持材料、設(shè)備和封裝。

為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)而設(shè)想的基礎(chǔ)設(shè)施包括先進(jìn)的300 mm潔凈室空間，具有制造全流程概念存儲(chǔ)器芯片原型、組件和模塊的尖端半導(dǎo)體工具能力，以及用于驗(yàn)證和測(cè)試的專用系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。為了確保從實(shí)驗(yàn)室到工廠的快速過(guò)渡，材料和設(shè)備應(yīng)與每個(gè)COE中的工藝和集成技術(shù)一起共同開(kāi)發(fā)。基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)包括：

技術(shù)發(fā)展

用于構(gòu)建復(fù)雜3D納米結(jié)構(gòu)的工藝/工具硬件開(kāi)發(fā)

用于高級(jí)掩模和晶圓圖案化（EUV）解決方案的工具/材料/掩模

開(kāi)發(fā)下一代高級(jí)建模方法和工具的平臺(tái)（物理、材料、結(jié)構(gòu)、TCAD、設(shè)計(jì)等）

加速開(kāi)發(fā)下一代解決方案的組合材料/器件方法

先進(jìn)的計(jì)量和材料分析/表征工具

異構(gòu)集成

與NSTC合作，推動(dòng)高級(jí)內(nèi)存/邏輯異構(gòu)集成的技術(shù)載體，并利用與NSTC中封裝/HI相關(guān)的其他高級(jí)研發(fā)

開(kāi)發(fā)具有極高對(duì)準(zhǔn)精度和低缺陷率的先進(jìn)晶圓到晶圓和芯片到晶圓鍵合技術(shù)

驅(qū)動(dòng)高級(jí)結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、材料和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）建模解決方案

存儲(chǔ)芯片vehicle

全流程加工和計(jì)量步驟所需的所有制造工具均配有專用的300 mm潔凈室空間

高級(jí)metro/測(cè)試/表征資源

內(nèi)存測(cè)試芯片原型支持

為了實(shí)現(xiàn)NSTC投資的最大價(jià)值，最大限度地提高執(zhí)行速度和與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同效應(yīng)，并提供最佳專業(yè)知識(shí)，我們建議將卓越存儲(chǔ)聯(lián)盟的一部分構(gòu)建在現(xiàn)有領(lǐng)先設(shè)施的相鄰附件中。MCOE將被配置為促進(jìn)行業(yè)和大學(xué)研究人員與學(xué)生之間擴(kuò)大互動(dòng)機(jī)會(huì)。此外，MCOE將為員工隊(duì)伍發(fā)展提供先進(jìn)的設(shè)施、最先進(jìn)的工具和指導(dǎo)環(huán)境?；A(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)將確保NSTC員工能夠輕松訪問(wèn)。為了促進(jìn)從實(shí)驗(yàn)室到工廠的快速過(guò)渡，MCOE將配備有支持項(xiàng)目的設(shè)備，以驗(yàn)證需要前沿半導(dǎo)體技術(shù)原型的初創(chuàng)企業(yè)和小公司提出的新概念。作為創(chuàng)新設(shè)施分布式網(wǎng)絡(luò)的樞紐，存儲(chǔ)聯(lián)盟將成為涵蓋學(xué)術(shù)界、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、初創(chuàng)企業(yè)和行業(yè)參與者（包括工具和軟件供應(yīng)商）的合作生態(tài)系統(tǒng)的錨。該生態(tài)系統(tǒng)將提供支持縱向和橫向集成的基礎(chǔ)設(shè)施，存儲(chǔ)器聯(lián)盟將與其他卓越聯(lián)盟合作，提供集成整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)新進(jìn)展的前沿創(chuàng)新。

協(xié)作框架

擴(kuò)大半導(dǎo)體概念原型的合作對(duì)于把內(nèi)存、存儲(chǔ)、邏輯和模擬結(jié)合在一起至關(guān)重要，能夠給支持對(duì)異構(gòu)解決方案帶來(lái)更多關(guān)注，并促進(jìn)來(lái)自多個(gè)技術(shù)載體（如材料、器件、電路、架構(gòu)、軟件和建模）的新概念組合。一個(gè)集體的、協(xié)作的存儲(chǔ)聯(lián)盟框架，加上現(xiàn)場(chǎng)的、最先進(jìn)的制造設(shè)施，將創(chuàng)造一個(gè)吸引來(lái)自政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的最優(yōu)秀研究人員的環(huán)境。

為了吸引所需人才，NSTC需要制定引人注目的技術(shù)路線圖，提供最先進(jìn)的基礎(chǔ)設(shè)施，并展示其為跨學(xué)科合作提供無(wú)與倫比機(jī)會(huì)的能力。

結(jié)論

國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)中心（NSTC）可以在推動(dòng)美國(guó)技術(shù)創(chuàng)新和長(zhǎng)期領(lǐng)導(dǎo)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用?？紤]到半導(dǎo)體行業(yè)創(chuàng)新的激烈步伐以及對(duì)存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)日益增長(zhǎng)和不斷擴(kuò)大的需求，存儲(chǔ)器必須是NSTC的一個(gè)關(guān)鍵重點(diǎn)。NSTC的協(xié)同推動(dòng)可以通過(guò)支持下一代以內(nèi)存為中心的設(shè)計(jì)架構(gòu)、3D內(nèi)存結(jié)構(gòu)技術(shù)開(kāi)發(fā)和異構(gòu)集成，加快內(nèi)存和存儲(chǔ)領(lǐng)域的創(chuàng)新。NSTC應(yīng)創(chuàng)建一個(gè)卓越存儲(chǔ)聯(lián)盟，以支持對(duì)未來(lái)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施所需的、上述以內(nèi)存為中心的、創(chuàng)新的集中關(guān)注。對(duì)內(nèi)存進(jìn)步的投資，將防止基于半導(dǎo)體的技術(shù)停滯不前，并確保技術(shù)進(jìn)步的持續(xù)節(jié)奏，從而確保美國(guó)經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全的持續(xù)。

審核編輯 ：李倩