5nm被攻破!IBM是如何做到的

硅的极限到底有没有达到呢?答案是,没有。

近日,IBM的一个研究小组详细介绍了一项突破性的晶体管设计,该项设计能够推动半导体工艺支撑的发展,使得摩尔定律向前更进一步,实现更加经济的工艺迭代。

与之前很多研究提出的采用新材料来代替现有材料的方法不同,IBM提出的解决方法,是采用一种真正可行的,能够在几年内实现大规模量产的新工艺,而不是一种概念性的方法。

对于那些即将出现的技术,例如自动驾驶汽车、人工智能、5G等等新技术,这一工艺的进度能够非常及时的应用于并推动这些技术的发展。

5nm的突破在哪里

几十年来,全球的半导体产业一直痴迷于晶体管的小型化。如何以更低的成本将更多的晶体管挤进芯片的同时,实现更高的速度和更低的功耗是半导体行业孜孜不倦的事情。英特尔联合创始人Gordon Moore在1965年提出的著名的摩尔定律就认为芯片上晶体管的数量能够每年翻一番。1975年之后,虽然摩尔定律经过了多次修订,行业在芯片上增加晶体管数量的速度也逐渐放缓。但是不可否认,业界依然能够找到缩小晶体管的方法。

为了实现这一目标就需要不断需找新的方法。上一次提出新的方法是在2009年,推出的新的晶体管设计方法就是我们所熟知的FinFET。2012年,FinFET工艺的第一次量产为全球半导体行业的发展注入了一剂强心剂。在之后的数年之内推动了22nm工艺的出现。

可以说,FinFET是过去几十年中,半导体行业在晶体管结构方面最重大的一次突破,也是非常具有革命性的一步。它的关键性的一项突破就是采用3D结构来设计晶体管,而不是过去数十年一直采用的2D平面设计。

IBM半导体研究方面的副总裁Mukesh Khare表示:“根本上说,FinFET结构就是一个三面有门设计的长方形。当这一结构运用到晶体管中的时候,施加不同的电压,晶体管就会呈现不同的开关状态。基于此种结构,晶体管能够最大限度的保证开关的状体,提高整体的效率。”

但是仅仅五年之后,FInFET所带来的好处就近乎枯竭。“FinFET的问题在于,已经很难提升晶体管的性能了。”侧重于半导体制造的VLSI Research的首席执行官Dan Hutcheson表示。

FInFET能够支撑半导体工艺发展到10nm,也能够应用到7nm,但是这已经是FinFET的极限了。“为了实现5nm的工艺,我们应当继续推进新的方法的研究,我们需要新的、不同的结构。”Dan Hutcheson认为。

IBM已经与其合作伙伴——格罗方德、三星,在晶体管的结构研究方面进行了多年的研究,并已经实现了一定程度的薄型化设计。

020ednc20170606 IBM研究出的晶体管结构的扫描图

Mukesh Khare表示:”可以将这种方法想象成FinFET工艺的另一种堆叠方式,在晶体管的顶部持续进行堆叠。”在这个结构中,电信号能够在二至三个DNA宽度的开关中通过。

“这是一个很大的突破。”Dan Hutcheson表示。“如果能够获得更小体积的晶体管,就能够在同一面积上部署更多的晶体管,也就意味着,在同一面积上能够实现更高的计算能力。”

以现有的工艺计算,我们能够在指甲盖大小的芯片上以7nm工艺部署大约200亿个晶体管,以5nm工艺能够部署大约300亿个晶体管。IBM最新推出的研究成果能够实现大约40%的性能提升,或者是在保持相同性能的基础上实现75%的功率降低。

恰逢其会的新工艺

该工艺出现的时机不可谓不好。

虽然以目前的进度来看,运用该工艺生产的处理器在2019年初几乎不可能出现。但是粗略的估计,在未来出现的自动驾驶汽车和5G技术中应用这项工艺还是非常可能的。毕竟,5nm工艺的实现还是需要一个过程的。

“未来,我们的世界将会是一个充斥着人工智能、智能驾驶等全新技术的世界。这些技术都依赖于更高效的计算能力。这些技术都依赖这项工艺。”Dan Hutcheson表示。“没有这一技术,这些改变将寸步难行。”

以自动驾驶为例。也许以今天的发展程度来说,计算能力已经足够了,但是要想实现真正的智能驾驶,未来还是需要在汽车里面应用成千上万的芯片,工艺的先进程度将会极大的限制汽车内芯片的数量。5nm工艺将会驱动这一进程的发展。物联网领域也是如此。

更实际的应用是智能手机,现在的智能手机需要每天充一次电,而这一工艺的应用将会允许我们使用相同的电池,但是只需要两到三天充电一次。此外,还有很多目前尚未发现的新应用。

“摩尔定律所产生的经济价值是不容置疑的。这也是我们不对推动创新并不断提出不同于传统的全新方法的动力所在。正是因为如此,我们才研究出了全新的结构。”Mukesh Khare表示。

这些新技术的使用和普及还有很长的路要走。任何技术的成功都需要技术和工艺的双重结合。至少,我们需要保证当新的技术需要新的工艺进行支持的时候,新的工艺就已经在那里等着了!

(原文发表于wired

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