IBM试产5nm芯片：指甲盖大小可容纳300亿晶体管

2017-06-05 芯智讯

当前商用晶体管栅极大小在 10nm 左右，但是 IBM 早已开始了 7nm、甚至 5nm 工艺的研究。不过为了制造 5nm 芯片，IBM 也抛弃了标准的 FinFET 架构，取而代之的是四层堆叠纳米材料。于是在指甲盖大小的芯片面积里，即可塞下大约 300 亿个晶体管，且能耗与效率都得到了保证。自 1970 年代以来，芯片行业在摩尔定律的加持下发展了几十年（每隔两年、芯片晶体管数翻一番），但近年来遇到了一些瓶颈。

△在纽约生产设施内测试的 5nm 芯片晶圆

在消费电子领域，14nm 芯片仍属于比较先进的标准，不过英特尔和三星的 10nm 工艺也已经向高端市场杀进。

研发方面，各公司也没有停下脚步，比如早在 2015 年，IBM 就携手 Global Foundries 和三星试产了一款 7nm 芯片。

该原型在指甲盖大小的面积里，塞进去了大约 200 亿个晶体管。得益于新工艺和新材料，其有望在 2019 年投入商用。

△IBM 研究院 5nm 晶体管扫描图，其由堆叠硅纳米材料制成

不过现在，IBM 公布了他们的下一步计划，将单个栅极的直径进一步缩减到 5nm，在同等面积下可挤下额外的 100 亿晶体管。尽管当前制造技术有潜力缩减至 5nm，但研究团队还是选择开发一种全新的架构。

自 2011 年以来，半导体行业采用 FinFET（鳍式场效应晶体管）工艺已有多年。恰如其名，它的样子有点像鱼鳍，三个载流通道被一个绝缘层所包围，但是这项技术也已接近可以缩小到的工艺极限。

△研究员 Nicolas Loubet 手持一片新型 5nm 芯片晶圆

IBM 团队表示，继续缩减 FinFET，并不会对性能提升有太大的帮助。有鉴于此，他们在 5nm芯片上采用了堆叠式硅纳米层，一次可向四个栅极发送信号（而不像 FinFET 那样一次只能向三个栅极发射）。

借助极紫外线光刻技术，他们可以在晶圆上绘制出更小的细节。与当前技术相比，它不仅光波能量高出许多，还支持在制造过程中持续调节芯片的功耗和性能。

与当前 10nm 芯片相比，5nm 原型芯片在额定功率下的性能可提升 40%，或在匹配性能下降低高达 75% 的能耗。

未来我们有望见到更多更小、更强大、更有效率的电子设备，不过当前 10nm 也才在智能手机市场商用不久，7nm商用可能要等到 2019年，5nm或许还得再多等上几年。