近日，IBM和三星公布了一種新的半導體芯片設計，自稱這種設計可以延續(xù)摩爾定律。這一突破性的架構將允許垂直電流流動的晶體管嵌入到芯片上，從而產(chǎn)生更緊湊的設備，并為智能手機長周期運行等鋪平了道路。據(jù)悉，新的垂直傳輸場效應晶體管(VTFET)設計旨在取代當前用于當今一些最先進芯片的FinFET技術，從本質(zhì)上講，新設計將垂直堆疊晶體管，允許電流在晶體管堆疊中上下流動，而不是目前大多數(shù)芯片上使用的左右水平布局。
根據(jù)IBM的說法，這種新的垂直結構允許在空間中裝入更多的晶體管，同時還可以影響它們之間的接觸點，以提高電流并節(jié)約能源。該公司表示，該設計可能會使性能翻倍，或者減少85%的能源消耗。
IBM已經(jīng)生產(chǎn)了帶有這種新的VTFET架構的測試芯片，并設想它在許多領域扮演著改變游戲規(guī)則的角色。隨著物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，這些芯片可以讓海洋浮標和自動駕駛汽車等設備以更少的能源運行，并可能對加密貨幣挖礦等能源密集型計算過程產(chǎn)生類似的影響，降低其碳足跡。
此外，根據(jù)IBM的說法，它還可以讓宇宙飛船更高效，甚至讓智能手機電池在不充電的情況下使用一周而不是幾天。IBM研究院混合云和系統(tǒng)副總裁Mukesh Khare博士說，“今天的技術聲明是關于挑戰(zhàn)傳統(tǒng)，重新思考我們?nèi)绾卫^續(xù)推進社會，并提供新的創(chuàng)新，以改善生活、業(yè)務和減少我們的環(huán)境影響。”“考慮到該行業(yè)目前在多個方面面臨的限制，IBM和三星正在展示我們在半導體設計方面的聯(lián)合創(chuàng)新的承諾，并共同追求我們所說的‘硬技術’?！彼a充說。
兩家公司于12 月15日宣布，與縮放鰭式場效應晶體管 (finFET) 相比，新的半導體設計有可能將能源使用量減少85%。三星電子還公布了一項生產(chǎn) IBM 5納米芯片的計劃，用于服務器。
VTFET是一種在芯片表面垂直堆疊晶體管的技術。從歷史上看，晶體管被制造成平放在半導體表面上，電流橫向流過它們。借助 VTFET，IBM 和三星已經(jīng)成功地實現(xiàn)了垂直于芯片表面構建的晶體管，并具有垂直或上下電流。
VTFET 工藝解決了許多性能障礙和限制，以擴展摩爾定律，因為芯片設計人員試圖將更多晶體管裝入固定空間。它還影響晶體管的接觸點，從而以更少的能量浪費獲得更大的電流?？傮w而言，與按比例縮放的 finFET 替代方案相比，新設計旨在將性能提高兩倍或?qū)⒛茉词褂脺p少85%。
IBM和三星電子在美國紐約州的奧爾巴尼納米技術研究中心聯(lián)合開發(fā)了 VTFET 技術。
同一天，IBM還宣布三星將生產(chǎn)基于節(jié)點的 5 納米IBM芯片。該芯片有望使用在IBM自己的服務器平臺。三星在2018年宣布將制造 IBM 的7納米芯片，該芯片在今年早些時候用于 IBM Power10 服務器系列。IBM今年 4 月亮相的人工智能(AI)處理器Telum也是三星基于IBM的設計制造的。
據(jù)國外媒體報道，在2021 IEEE國際電子器件會議(IEDM)上 藍色巨人IBM與韓國三星共同發(fā)布「垂直傳輸場效應晶體管」(VTFET) 芯片設計。將晶體管以垂直方式堆疊，并讓電流也垂直流通，使晶體管數(shù)量密度再次提高，更大幅提高電源使用效率，并突破1 納米制程的瓶頸。
相較傳統(tǒng)將晶體管以水平放置，垂直傳輸場效應晶體管將能增加晶體管數(shù)量堆疊密度，并讓運算速度提升兩倍，同時借電流垂直流通，使功耗在相同性能發(fā)揮下降低85%。
IBM 和三星指出，此技術能在未來手機一次充電續(xù)航力就達一星期，可使某些耗能密集型任務如加密運算更省電，減少對環(huán)境的影響。不過IBM 與三星尚未透露何時開始將垂直傳輸場效應晶體管設計應用于產(chǎn)品，但是市場人士預估，短時間內(nèi)會有進一步消息。
相對IBM 與三星技術成果發(fā)表，晶圓代工龍頭臺積電也在5 月宣布，與臺灣大學、麻省理工學院共同研究，以鉍金屬特性突破1納米制程極限，下探至1納米以下。英特爾日前也公布制程發(fā)展布局，除了現(xiàn)有納米級制程節(jié)點設計，接下來也會開始布局埃米等級制程，預計最快2024 年進入20A 制程節(jié)點。
VTFET 為延續(xù)摩爾定律找到了一條途徑，不知這種工藝何時能夠落地，制成芯片落到我們的手中。
早在 1965 年，計算機科學家戈登 · 摩爾(Gordon Moore)首先提出假設：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過 18 個月便會增加一倍，同時計算機的運行速度和存儲容量也翻一番。這就是半導體領域著名的摩爾定律。當前，可以塞進單個芯片的晶體管數(shù)量幾乎達到了極限。
但與此同時，計算系統(tǒng)的前進道路并沒有放緩。動態(tài) AI 系統(tǒng)已準備好為人們生活的方方面面(從道路安全到藥物發(fā)現(xiàn)和先進制造)提供動力，這就需要未來出現(xiàn)性能更強大的芯片。因此，為了延續(xù)摩爾假設的速度和計算能力的進步，我們需要制造具有多達 1000 億個晶體管的芯片。
IBM 研究院與三星合作，在半導體設計方面取得了突破性進展，聲稱有助于摩爾定律在未來幾年保持活力，并重塑半導體行業(yè)。他們提出了一種在芯片上垂直堆疊晶體管的新方法，稱為垂直傳輸納米片場效應晶體管(Vertical-Transport Nanosheet Field Effect Transistor, VTFET)。當今，主流的芯片架構采用橫向傳輸場效應晶體管(FET)，例如鰭式場效應晶體管(FinFET)，因硅體類似魚背鰭而得名。finFET 在設計上沿著晶圓表面對晶體管分層，電流沿水平方向流動。與這類設計不同的是，VTFET 是在垂直于硅晶圓的方向上將晶體管分層，并允許電流在堆疊晶體管中上下流動。
雖然我們無從知曉 VTFET 設計工藝何時能夠制成芯片為我們所用，但是IBM和三星已經(jīng)提出了一些大膽的想法：
手機充一次電可以用一周;
數(shù)據(jù)加密等能源密集型流程需要的能源會大大減少，碳足跡也會更小;
用于更強大的物聯(lián)網(wǎng)設備，使它們能夠在更多樣化的環(huán)境中運行，如海洋浮標、自動駕駛汽車和航天器。
除IBM和三星，英特爾也在今年夏天公布了其即將推出的 RibbonFET(英特爾首款全環(huán)柵晶體管)設計，這是其在FinFET技術上獲得的專利。這項技術將成為英特爾 20A 代半導體產(chǎn)品的一部分，而20A代芯片則計劃于 2024 年開始量產(chǎn)。
半導體的垂直設計已經(jīng)發(fā)展許久，并從現(xiàn)在通用的FinFET技術中獲得了一定的靈感。當平面空間已經(jīng)更難讓晶體管進行堆疊時，未來唯一真正的方向或許就是向上堆疊。
下載文檔
