5nm被攻破！IBM是如何做到的？硅的極限到底有沒有達(dá)到呢？答案是，沒有。

近日，IBM的一個研究小組詳細(xì)介紹了一項突破性的晶體管設(shè)計，該項設(shè)計能夠推動半導(dǎo)體工藝支撐的發(fā)展，使得摩爾定律向前更進(jìn)一步，實(shí)現(xiàn)更加經(jīng)濟(jì)的工藝迭代。

與之前很多研究提出的采用新材料來代替現(xiàn)有材料的方法不同，IBM提出的解決方法，是采用一種真正可行的，能夠在幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的新工藝，而不是一種概念性的方法。

對于那些即將出現(xiàn)的技術(shù)，例如自動駕駛汽車、人工智能、5G等等新技術(shù)，這一工藝的進(jìn)度能夠非常及時的應(yīng)用于并推動這些技術(shù)的發(fā)展。

IBM的研究小組進(jìn)行5nm結(jié)構(gòu)的研究

5nm的突破在哪里

幾十年來，全球的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一直癡迷于晶體管的小型化。如何以更低的成本將更多的晶體管擠進(jìn)芯片的同時，實(shí)現(xiàn)更高的速度和更低的功耗是半導(dǎo)體行業(yè)孜孜不倦的事情。英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人Gordon Moore在1965年提出的著名的摩爾定律就認(rèn)為芯片上晶體管的數(shù)量能夠每年翻一番。1975年之后，雖然摩爾定律經(jīng)過了多次修訂，行業(yè)在芯片上增加晶體管數(shù)量的速度也逐漸放緩。但是不可否認(rèn)，業(yè)界依然能夠找到縮小晶體管的方法。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就需要不斷需找新的方法。上一次提出新的方法是在2009年，推出的新的晶體管設(shè)計方法就是我們所熟知的FinFET。2012年，F(xiàn)inFET工藝的第一次量產(chǎn)為全球半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展注入了一劑強(qiáng)心劑。在之后的數(shù)年之內(nèi)推動了22nm工藝的出現(xiàn)。

可以說，F(xiàn)inFET是過去幾十年中，半導(dǎo)體行業(yè)在晶體管結(jié)構(gòu)方面最重大的一次突破，也是非常具有革命性的一步。它的關(guān)鍵性的一項突破就是采用3D結(jié)構(gòu)來設(shè)計晶體管，而不是過去數(shù)十年一直采用的2D平面設(shè)計。

IBM半導(dǎo)體研究方面的副總裁Mukesh Khare表示：“根本上說，F(xiàn)inFET結(jié)構(gòu)就是一個三面有門設(shè)計的長方形。當(dāng)這一結(jié)構(gòu)運(yùn)用到晶體管中的時候，施加不同的電壓，晶體管就會呈現(xiàn)不同的開關(guān)狀態(tài)。基于此種結(jié)構(gòu)，晶體管能夠最大限度的保證開關(guān)的狀體，提高整體的效率。”

但是僅僅五年之后，F(xiàn)InFET所帶來的好處就近乎枯竭。“FinFET的問題在于，已經(jīng)很難提升晶體管的性能了。”側(cè)重于半導(dǎo)體制造的VLSI Research的首席執(zhí)行官Dan Hutcheson表示。

FInFET能夠支撐半導(dǎo)體工藝發(fā)展到10nm，也能夠應(yīng)用到7nm，但是這已經(jīng)是FinFET的極限了。“為了實(shí)現(xiàn)5nm的工藝，我們應(yīng)當(dāng)繼續(xù)推進(jìn)新的方法的研究，我們需要新的、不同的結(jié)構(gòu)。”Dan Hutcheson認(rèn)為。

IBM已經(jīng)與其合作伙伴——格羅方德、三星，在晶體管的結(jié)構(gòu)研究方面進(jìn)行了多年的研究，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一定程度的薄型化設(shè)計。

IBM研究出的晶體管結(jié)構(gòu)的掃描圖

Mukesh Khare表示:”可以將這種方法想象成FinFET工藝的另一種堆疊方式，在晶體管的頂部持續(xù)進(jìn)行堆疊。”在這個結(jié)構(gòu)中，電信號能夠在二至三個DNA寬度的開關(guān)中通過。

“這是一個很大的突破。”Dan Hutcheson表示。“如果能夠獲得更小體積的晶體管，就能夠在同一面積上部署更多的晶體管，也就意味著，在同一面積上能夠?qū)崿F(xiàn)更高的計算能力。”

以現(xiàn)有的工藝計算，我們能夠在指甲蓋大小的芯片上以7nm工藝部署大約200億個晶體管，以5nm工藝能夠部署大約300億個晶體管。IBM最新推出的研究成果能夠?qū)崿F(xiàn)大約40%的性能提升，或者是在保持相同性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)75%的功率降低。

恰逢其會的新工藝

該工藝出現(xiàn)的時機(jī)不可謂不好。

雖然以目前的進(jìn)度來看，運(yùn)用該工藝生產(chǎn)的處理器在2019年初幾乎不可能出現(xiàn)。但是粗略的估計，在未來出現(xiàn)的自動駕駛汽車和5G技術(shù)中應(yīng)用這項工藝還是非常可能的。畢竟，5nm工藝的實(shí)現(xiàn)還是需要一個過程的。

“未來，我們的世界將會是一個充斥著人工智能、智能駕駛等全新技術(shù)的世界。這些技術(shù)都依賴于更高效的計算能力。這些技術(shù)都依賴這項工藝。”Dan Hutcheson表示。“沒有這一技術(shù)，這些改變將寸步難行。”

以自動駕駛為例。也許以今天的發(fā)展程度來說，計算能力已經(jīng)足夠了，但是要想實(shí)現(xiàn)真正的智能駕駛，未來還是需要在汽車?yán)锩鎽?yīng)用成千上萬的芯片，工藝的先進(jìn)程度將會極大的限制汽車內(nèi)芯片的數(shù)量。5nm工藝將會驅(qū)動這一進(jìn)程的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也是如此。

更實(shí)際的應(yīng)用是智能手機(jī)，現(xiàn)在的智能手機(jī)需要每天充一次電，而這一工藝的應(yīng)用將會允許我們使用相同的電池，但是只需要兩到三天充電一次。此外，還有很多目前尚未發(fā)現(xiàn)的新應(yīng)用。

“摩爾定律所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價值是不容置疑的。這也是我們不對推動創(chuàng)新并不斷提出不同于傳統(tǒng)的全新方法的動力所在。正是因?yàn)槿绱耍覀儾叛芯砍隽巳碌慕Y(jié)構(gòu)。”Mukesh Khare表示。

這些新技術(shù)的使用和普及還有很長的路要走。任何技術(shù)的成功都需要技術(shù)和工藝的雙重結(jié)合。至少，我們需要保證當(dāng)新的技術(shù)需要新的工藝進(jìn)行支持的時候，新的工藝就已經(jīng)在那里等著了！