在2021 IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議(IEDM)上，IBM和三星聯(lián)合宣布，他們?cè)?a target="_blank">半導(dǎo)體設(shè)計(jì)方面取得一項(xiàng)重大突破。

IBM和三星采用了一種新的垂直晶體管架構(gòu)，即垂直傳輸場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Vertical Transport Field Effect Transistors，VTFET),該架構(gòu)展示了超越納米片的擴(kuò)展路徑，并且與按比例縮放的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FinFET)相比，有可能將能耗降低 85%。

在紐約奧爾巴尼的納米技術(shù)中心(Albany Nanotech Complex)擁有世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體研究生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)這種協(xié)作創(chuàng)新，帶來(lái)了強(qiáng)大的創(chuàng)新渠道，有助于滿足半導(dǎo)體制造需求，并加速全球芯片行業(yè)的發(fā)展。全球半導(dǎo)體短缺凸顯了在芯片研發(fā)中投資的關(guān)鍵作用，以及芯片在計(jì)算、家電、通信設(shè)備、交通系統(tǒng)和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施等方方面面的重要性。

新的垂直晶體管突破可以幫助半導(dǎo)體行業(yè)繼續(xù)其不懈的旅程，實(shí)現(xiàn)重大改進(jìn)，包括：

? 改進(jìn)器件架構(gòu)，使半導(dǎo)體器件的擴(kuò)展能夠繼續(xù)超越納米片。

? 手機(jī)電池可以使用一周以上不用充電，而不是幾天。

? 可能使加密操作和數(shù)據(jù)加密等能源密集型工作需要的能源大大減少，從而減少碳足跡。

? 物聯(lián)網(wǎng)和能源需求較低的邊緣設(shè)備將持續(xù)擴(kuò)展，使它們能夠在更多樣化的環(huán)境中運(yùn)行，例如海洋浮標(biāo)、自動(dòng)駕駛汽車和航天器。

在傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)中，晶體管一直是平放在半導(dǎo)體表面上，電流橫向流動(dòng)，就是從一側(cè)到另一側(cè)。借助新型垂直傳輸場(chǎng)效應(yīng)晶體管(VTFET)，IBM 和三星成功實(shí)現(xiàn)了垂直于芯片表面構(gòu)建晶體管，從而具有垂直或上下流動(dòng)的電流。

摩爾定律正在迅速接近被認(rèn)為是不可逾越的障礙。簡(jiǎn)而言之，隨著越來(lái)越多的晶體管被塞進(jìn)一個(gè)有限的區(qū)域，工程師們的空間就快用完了。VTFET 工藝解決了許多性能障礙和擴(kuò)展摩爾定律的限制。它還影響晶體管的接觸點(diǎn)，允許更大的電流流過(guò)而能量浪費(fèi)更少。

VTFET將晶體管以垂直方式堆疊，并且讓電流也以垂直方式流通，借此讓晶體管數(shù)量密度再次提高之外，更大幅度提高了電源使用效率，突破了目前的制程設(shè)計(jì)瓶頸。VTFET另辟蹊徑，攻克了常規(guī)做法所面臨的諸多難以逾越的困難和瓶頸，使芯片設(shè)計(jì)人員可以在相同的面積上放置更多的晶體管，而整體上不會(huì)增加較大的功耗。

在相同占位面積和激進(jìn)的低于 45nm 柵極間距兩種情況下，將VTFET 納米片和按比例縮放的 FinFET 器件仿真結(jié)果進(jìn)行比較。由于 VTFET 保持良好的靜電和寄生效應(yīng)，而 FinFET 性能受到嚴(yán)格的縮放限制的影響，VTFET 納米片在等效功率下提供了按比例縮放的 FinFET 約 2 倍的性能?；蛘?，與外推的功率性能曲線上的等效頻率相比，VTFET 與按比例縮放的 FinFET 架構(gòu)相比功率降低可以多達(dá) 85%。

IBM和三星雙方在芯片領(lǐng)域的探索合作還不止于此。此外，三星將用5納米工藝為IBM代工制造芯片，預(yù)計(jì)是用于IBM的服務(wù)器平臺(tái)。在這之前，IBM Power10 系列服務(wù)器中的處理器和 IBM Telum處理器也是由三星采用7納米工藝代工制造的。

近期，IBM方面還宣布在2納米芯片制造技術(shù)方面取得了重要突破，可實(shí)現(xiàn)在指甲大小的空間中安裝多達(dá) 500 億個(gè)晶體管。IBM的半導(dǎo)體突破很多，包括首次實(shí)現(xiàn) 7 納米和 5 納米工藝技術(shù)、高 k 金屬柵極技術(shù)、SiGe溝道晶體管、單單元 DRAM、Dennard 比例定律、化學(xué)放大光刻膠、銅互連布線、絕緣體上硅技術(shù)、多核微處理器、嵌入式 DRAM 和 3D 芯片堆疊等。

VTFET 創(chuàng)新專注在一個(gè)全新的維度，它為摩爾定律的延續(xù)提供了新途徑，當(dāng)然也可以進(jìn)一步提高芯片的性能。IBM 研究院混合云和系統(tǒng)副總裁 Mukesh Khare 博士表示：這項(xiàng)新技術(shù)突破傳統(tǒng)思路，重新思考我們應(yīng)該如何持續(xù)推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，通過(guò)提供新的創(chuàng)新來(lái)改善人類生活和工作，并減少對(duì)環(huán)境所帶來(lái)的負(fù)面影響。

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審核編輯：湯梓紅