人类对硅的应用还没有达到极限。

近日,IBM领导的一群研究人员公布了一种突破性晶体管的详细设计方案,它能使处理器延续“摩尔定律”,变得更小、更便宜。更让人兴奋的是,他们做到这一点靠的不是碳纳米管或者某种其他的理论方法,而是依靠一种实用的新工艺,在几年内就可以达到大规模量产的要求。

这种新型晶体管应该也能方便、及时地应用于几乎所有大型科技公司都纷纷试水的自动驾驶汽车、机载人工智能和5G传感器,但这一点还不确定。

5纳米芯片

几十年来,半导体行业痴迷于小型化,它们这么做有充分的理由。芯片上集成的晶体管越多,运行速度就越快,能效就越高,成本也就越低。1965年,英特尔联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)发现,芯片上集成的晶体管数量每年翻一番,于是提出了著名的摩尔定律。1975年,摩尔把该定律改为每两年翻一番。虽然现在已经达不到那种速度,但晶体管仍然在不断缩小。

要做到这一点,就离不开创新。上一次重大突破出现在2009年,当时研究人员公布了一种新型晶体管的设计方案,名为鳍式场效应晶体管(FinFET)。2012年,FinFET晶体管首次投产,为半导体行业注入了亟需的动力,成功地运用22纳米工艺制造出了处理器。FinFET是革命性的一步,也是数十年来晶体管结构的第一次重大改变。其关键点是利用3D结构而不是以往的2D“平面”结构来控制电流。

“基本上来说,FinFET结构是一个矩形,三面都被闸门包围。”IBM研究院半导体研究副总裁穆克什·哈雷(Mukesh Khare)说。把晶体管想象成一个开关,对闸门施以不同的电压会“打开”或“关闭”晶体管。三面都被闸门包围可以使“打开”状态下的电流量最大化,从而提升性能,并使“关闭”状态下的漏电量最小化,从而改善能效。

但短短五年后,这些好处即将枯竭。“FinFET的问题是,它已经没什么潜力了。”半导体市场调研公司VLSI Research的首席执行官丹·哈奇森(Dan Hutcheson)说。虽然FinFET撑起了当今最先进的10纳米工艺芯片,应该也可以用于7纳米工艺,但其潜力到此为止。“要使晶体管缩小至5纳米,我们必须采用不同的结构。”哈奇森说。

这时,IBM登场了。与FinFET的垂直鳍式结构不同,IBM与研发伙伴GlobalFoundries以及三星,共同发明了水平堆叠式硅纳米板,使晶体管的四面都被闸门包围。

晶体管2.jpg

“你可以想象成把FinFET转向一侧,彼此堆叠在一起。”哈雷说。在这种结构中,控制电信号的开关大小只有两三个DNA链那么宽。

“这是个巨大的突破。”哈奇森说,“如果能让晶体管更小,就可以在同样大的芯片上集成更多的晶体管,这意味着同样大的芯片具有更强的计算能力。” 在指甲盖大小的芯片上,7纳米工艺可集成200亿个晶体管,而5纳米工艺可集成300亿个。IBM认为,使用5纳米工艺后,同等功耗下的性能将提升40%,而同等性能下,功耗则会降低75%。

恰逢其时

时机再好不过。

采用这种新结构的处理器最早要到2019年才面市,但这刚好赶上业内人士估计自动驾驶汽车和5G等新发明被广泛采用的时间点。没有5纳米工艺,这些新发明将无法大规模普及。

晶体管3.jpg

“5G、人工智能和自动驾驶汽车是发展趋势,它们都非常依赖更强的计算能力,而要想提高计算能力,只能靠这种技术。”哈奇森说,“否则,我们就会止步不前。”

以自动驾驶汽车为例。它们现在可能很好用,但需要价值数万美元的芯片才能正常运转,这对主流产品来说是一笔无法负担的额外成本,而5纳米工艺可以大幅降低这些成本。再比如,始终在线的物联网传感器,它们会在5G世界里不断收集数据。或者,再想想智能手机,同样大小的电池,充一次电可以用两三天而不是一天。此外,还有很多你现在想象不到的好处。

“摩尔定律带来的经济价值是不容置疑的。这就是5纳米工艺这样的创新发挥作用的地方。晶体管的缩小不是依靠传统方法来实现,而是采用新的结构。”哈雷说。

这些技术的广泛应用还要等到若干年之后。它们的成功既需要技术的进步,也离不开监管的进步。不过至少,当这两点成为现实的时候,那些帮助它们正常运转的微小芯片已然是触手可及。


翻译:于波

来源:Wired

  • 摩尔定律
  • 晶体管
  • 纳米芯片
  • 鳍式场效应晶体管

造就评论0

造就  发现创造力