IBM今宣布5纳米芯片全新制造工艺，“被判死刑”的摩尔定律再获新生？

2017-06-08 CINNO

一项设计上的突破将使得工程师能够在单个芯片上安装 300 亿个晶体管，而芯片尺寸仅为指甲大小。

IBM今日宣佈，该公司一个研究团队在晶体管的製造上取得了巨大的突破，有望挽救越来越濒临极限的摩尔定律，使得电子元件朝著更小、更经济的方向发展。然而，该突破与最近大热的碳纳米管无关，而是基於一种更基础的理论方法和新製造工艺。这项突破可能会在未来几年内满足日益增长的市场需求，也有可能为自动驾驶、人工智能和 5G 网络的实现铺路。

今天，IBM 在京都举行的 VLSI Technology and Circuits 研讨会上宣佈，IBM 与其研究联盟合作夥伴 Global Foundries 以及三星公司为新型的芯片製造了 5 纳米（nm）大小的晶体管。

IBM在 SUNY Polytechnic Institute 的科学家正在准备测试5纳米硅芯片

为了实现这个壮举，就必须在现有的芯片内部構架上进行改变。研究团队将硅纳米层进行水平堆叠，而非传统的硅半导体行业的垂直堆叠構架，这使得5nm晶体管的工艺有了实现可能，而这一工艺将有可能引爆未来芯片性能的进一步高速发展。

实际上，从工艺架構本身来说，这种从垂直架構到水平层叠的转换相当於在硅晶体管上打开了第四扇「门」，使得电信号能够在芯片中通过不同的晶体管。而从尺寸上来说，这些晶体管的宽度不大于两三根並排在一起的DNA分子链。

那到底能为我们的生活带来怎样的改变？

根据 IBM 官方的说法，比较直观的描述是，当我们在阅读这篇文章时，假设正在使用的移动设备只剩下 10％的电量，但基於 5 纳米製程技术的芯片将使得移动设备在需要充电之前仍然可以使用数小时，而不是几分锺。未来配备此类新型芯片的移动设备续航时间将比现在要延长数天。

数十年来，半导体产业对缩小电子元件的狂热追求是有原因的。芯片上整合的电路越多，电子产品的速度越快、效率越高、成本越低。而著名的摩尔定律在 1965 年首次提出之时则认为，芯片上的晶体管数量每年翻一番，该预测在 1975 年被更改为每两年。

尽管半导体行业整合技术的发展速度越来越达不到摩尔定理的预期，但不管怎么说，晶体管的尺寸还是在变得越来越小。

摩尔定律

其实，半导体的缩小並不是什么高技术活儿

上一个主要突破就发生在 2009 年，研究者们发明了一种叫做FinFET的晶体管设计方式，而其第一次大规模製造则开始于 2012 年——这给整个行业打了一剂强心针，为 22 纳米这一尺寸上的处理器创造了可能。FinFET是晶体管行业的革命性突破——其关键在于，在三维结構而非二维平面上控制电流的传递。

IBM半导体研究小组副组长 Mukesh Khare 表示，「原则上说，FinFET的结構就是一个简单的长方形，其中的三条边上各有一个小门」。如果把晶体管想像成一个开关，不同的电压就会控制这道门「开启」或「关闭」。在三个不同方向上加上门能够最大化这个开关的电流量，并最小化电流的漏出，所以增加了整体的效率。

但在五年后，这一技术也幾乎发展到了尽头。对此，半导体製造公司 VLSL Research 首席执行官 Dan Hutcheson 表示，问题在于 FinFET 就像一条流淌的小溪。FinFET在目前常见的 10 纳米处理器上正常工作，在 7 纳米上应该也没有问题。「但在5纳米的尺度上，我们就需要一个新的结構了。」Hutcheson说。

IBM Research Alliance 在几层硅芯片上的 5 纳米晶体管

终于，在 FinFET 的垂直结構发展终结之后，IBM 宣佈在与 Global Foundries 和三星的合作下开发出了水平排布的硅纳米板，并以这种结構在晶体管上加了第四道门。你可以想像 FinFET 的结構调转了过来，元件相互叠在了顶上。在尺度上来说，电信号在一个和 DNA 螺旋一样大的开关上流动。