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(gè)研究小組詳細(xì)介紹了一項(xiàng)突破性的晶體管設(shè)計(jì),，該項(xiàng)設(shè)計(jì)能夠推動(dòng)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(lái)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(duì)于那些即將出現(xiàn)的技術(shù),，例如自動(dòng)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(shí)的應(yīng)用于并推動(dòng)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(lái),，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(shí)，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(guò)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(jì)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(dòng)了22nm工藝的出現(xiàn),。

可以說(shuō),，F(xiàn)inFET是過(guò)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(xiàng)突破就是采用3D結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)晶體管，而不是過(guò)去數(shù)十年一直采用的2D平面設(shè)計(jì),。

IBM半導(dǎo)體研究方面的副總裁Mukesh Khare表示：“根本上說(shuō),，F(xiàn)inFET結(jié)構(gòu)就是一個(gè)三面有門設(shè)計(jì)的長(zhǎng)方形,。當(dāng)這一結(jié)構(gòu)運(yùn)用到晶體管中的時(shí)候，施加不同的電壓,，晶體管就會(huì)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?！?/p>

但是僅僅五年之后,，F(xiàn)InFET所帶來(lái)的好處就近乎枯竭?！癋inFET的問(wèn)題在于,，已經(jīng)很難提升晶體管的性能了?！眰?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),?！盌an 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(jì),。

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,?！痹谶@個(gè)結(jié)構(gòu)中，電信號(hào)能夠在二至三個(gè)DNA寬度的開關(guān)中通過(guò),。

“這是一個(gè)很大的突破,。”Dan Hutcheson表示,?！叭绻軌颢@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(jì)算能力,。”

以現(xiàn)有的工藝計(jì)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(gè)晶體管,，以5nm工藝能夠部署大約300億個(gè)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(huì)的新工藝

該工藝出現(xiàn)的時(shí)機(jī)不可謂不好。

雖然以目前的進(jìn)度來(lái)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(jì)，在未來(lái)出現(xiàn)的自動(dòng)駕駛汽車和5G技術(shù)中應(yīng)用這項(xiàng)工藝還是非?？赡艿?。畢竟，5nm工藝的實(shí)現(xiàn)還是需要一個(gè)過(guò)程的,。

“未來(lái),，我們的世界將會(huì)是一個(gè)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(jì)算能力,。這些技術(shù)都依賴這項(xiàng)工藝?！盌an Hutcheson表示,。“沒有這一技術(shù),，這些改變將寸步難行,。”

以自動(dòng)駕駛為例,。也許以今天的發(fā)展程度來(lái)說(shuō),，計(jì)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(lái)還是需要在汽車?yán)锩鎽?yīng)用成千上萬(wàn)的芯片,，工藝的先進(jìn)程度將會(huì)極大的限制汽車內(nèi)芯片的數(shù)量。5nm工藝將會(huì)驅(qū)動(dòng)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(huì)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(jià)值是不容置疑的,。這也是我們不對(duì)推動(dòng)創(chuàng)新并不斷提出不同于傳統(tǒng)的全新方法的動(dòng)力所在。正是因?yàn)槿绱?，我們才研究出了全新的結(jié)構(gòu),。”Mukesh Khare表示,。

這些新技術(shù)的使用和普及還有很長(zhǎng)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(shí)候,，新的工藝就已經(jīng)在那里等著了！