一項(xiàng)設(shè)計(jì)上的突破將使得工程師能夠在單個(gè)芯片上安裝 300 億個(gè)晶體管，而芯片尺寸僅為指甲大小。

IBM近日宣布，該公司一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在晶體管的制造上取得了巨大的突破，有望挽救越來越瀕臨極限的摩爾定律，使得電子元件朝著更小、更經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。

然而，該突破與最近大熱的碳納米管無關(guān)，而是基于一種更基礎(chǔ)的理論方法和新制造工藝。這項(xiàng)突破可能會(huì)在未來幾年內(nèi)滿足日益增長的市場需求，也有可能為自動(dòng)駕駛、人工智能和 5G 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)鋪路。

昨天，IBM 在京都舉行的 VLSI Technology and Circuits 研討會(huì)上宣布，IBM 與其研究聯(lián)盟合作伙伴 Global Foundries 以及三星公司為新型的芯片制造了 5 納米（nm）大小的晶體管。

圖丨IBM在 SUNY Polytechnic Institute 的科學(xué)家正在準(zhǔn)備測試5納米硅晶片晶體管

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)壯舉，就必須在現(xiàn)有的芯片內(nèi)部構(gòu)架上進(jìn)行改變。研究團(tuán)隊(duì)將硅納米層進(jìn)行水平堆疊，而非傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體行業(yè)的垂直堆疊構(gòu)架，這使得5nm晶體管的工藝有了實(shí)現(xiàn)可能，而這一工藝將有可能引爆未來芯片性能的進(jìn)一步高速發(fā)展。

實(shí)際上，從工藝架構(gòu)本身來說，這種從垂直架構(gòu)到水平層疊的轉(zhuǎn)換相當(dāng)于在硅晶體管上打開了第四扇“門”，使得電信號(hào)能夠在芯片中通過不同的晶體管。而從尺寸上來說，這些晶體管的寬度不大于兩三根并排在一起的DNA分子鏈。

那到底能為我們的生活帶來怎樣的改變？根據(jù) IBM 官方的說法，比較直觀的描述是，當(dāng)我們在閱讀這篇文章時(shí)，假設(shè)正在使用的移動(dòng)設(shè)備只剩下 10％ 的電量，但基于 5 納米制程技術(shù)的芯片將使得移動(dòng)設(shè)備在需要充電之前仍然可以使用數(shù)小時(shí)，而不是幾分鐘。未來配備此類新型芯片的移動(dòng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間將比現(xiàn)在要延長數(shù)天。

數(shù)十年來，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)縮小電子元件的狂熱追求是有原因的。芯片上集成的電路越多，電子產(chǎn)品的速度越快、效率越高、成本越低。而著名的摩爾定律在 1965 年首次提出之時(shí)則認(rèn)為，芯片上的晶體管數(shù)量每年翻一番，該預(yù)測在 1975 年被更改為每兩年。

盡管半導(dǎo)體行業(yè)集成技術(shù)的發(fā)展速度越來越達(dá)不到摩爾定理的預(yù)期，但不管怎么說，晶體管的尺寸還是在變得越來越小。

圖丨摩爾定律

其實(shí)，半導(dǎo)體的縮小并不是什么高技術(shù)活兒。上一個(gè)主要突破就發(fā)生在 2009 年，研究者們發(fā)明了一種叫做FinFET的晶體管設(shè)計(jì)方式，而其第一次大規(guī)模制造則開始于 2012 年——這給整個(gè)行業(yè)打了一劑強(qiáng)心針，為 22 納米這一尺寸上的處理器創(chuàng)造了可能。FinFET是晶體管行業(yè)的革命性突破——其關(guān)鍵在于，在三維結(jié)構(gòu)而非二維平面上控制電流的傳遞。

IBM半導(dǎo)體研究小組副組長 Mukesh Khare 表示，“原則上說，F(xiàn)inFET的結(jié)構(gòu)就是一個(gè)簡單的長方形，其中的三條邊上各有一個(gè)小門”。如果把晶體管想象成一個(gè)開關(guān)，不同的電壓就會(huì)控制這道門“開啟”或“關(guān)閉”。在三個(gè)不同方向上加上門能夠最大化這個(gè)開關(guān)的電流量，并最小化電流的漏出，所以增加了整體的效率。

但在五年后，這一技術(shù)也幾乎發(fā)展到了盡頭。對(duì)此，半導(dǎo)體制造公司 VLSL Research 首席執(zhí)行官 Dan Hutcheson 表示，問題在于 FinFET 就像一條流淌的小溪。FinFET在目前常見的 10 納米處理器上正常工作，在 7 納米上應(yīng)該也沒有問題?！暗?納米的尺度上，我們就需要一個(gè)新的結(jié)構(gòu)了?！盚utcheson說。

圖丨IBM Research Alliance 在幾層硅晶片上的 5 納米晶體管

終于，在 FinFET 的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)展終結(jié)之后，IBM 宣布在與 Global Foundries 和三星的合作下開發(fā)出了水平排布的硅納米板，并以這種結(jié)構(gòu)在晶體管上加了第四道門。你可以想象 FinFET 的結(jié)構(gòu)調(diào)轉(zhuǎn)了過來，元件相互疊在了頂上。在尺度上來說，電信號(hào)在一個(gè)和 DNA 螺旋一樣大的開關(guān)上流動(dòng)。

“這是一個(gè)巨大的進(jìn)步”，Hutcheson說?！叭绻覀兡馨丫w管變得更小更密集，我就能在同等面積的芯片得到更快的處理速度?！币簿褪窃谝粋€(gè)指甲的芯片上，從 200 億個(gè) 7 納米晶體管飛躍到了 300 億個(gè) 5 納米晶體管。對(duì)此，IBM 預(yù)計(jì)，會(huì)在同樣功率上把處理效率提高 40%，或者在同樣效率上減少 70% 的功耗。

圖丨IBM 科學(xué)家 Nicolas Loubet 握著使用業(yè)界一流制程工藝生產(chǎn)的 5nm 硅晶體管芯片

雖然根據(jù)行業(yè)內(nèi)的預(yù)估，基于新架構(gòu)所開發(fā)的可商用處理器不會(huì)在2019年前投入市場。但不可否認(rèn)的是，5 納米處理器工藝的成熟與否將決定未來自動(dòng)駕駛和5G通訊等行業(yè)的商業(yè)化程度。

“整個(gè)社會(huì)的發(fā)展全靠它了！因?yàn)槲磥砑磳⒊霈F(xiàn)的人工智能、自動(dòng)駕駛等技術(shù)都對(duì)計(jì)算能力提出了更高的要求，”Hutcheson說?！皼]有新的處理器生產(chǎn)技術(shù)，人類文明將就此停滯?！?/p>

就拿自動(dòng)駕駛技術(shù)來舉例，雖然我們現(xiàn)在已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車的上路行駛，但不得不說，其所依賴的智能芯片的價(jià)格仍然高達(dá)數(shù)萬美元，這對(duì)于準(zhǔn)備大規(guī)模商業(yè)化的產(chǎn)品來說，顯然不太現(xiàn)實(shí)。而 5 納米制程工藝的出現(xiàn)將有希望將這一成本大幅降低。

再比如，IoT（物聯(lián)網(wǎng)）傳感器設(shè)備由于需要不間斷地收集實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)流，所以必須保持一直在線的狀態(tài)，而要做到這一點(diǎn)，也必須依靠高性能的處理器。

IBM半導(dǎo)體研究小組副組長 Mukesh Khare 對(duì)此有一個(gè)精辟的評(píng)價(jià)：“摩爾定律所衍生的超高經(jīng)濟(jì)價(jià)值是毋庸置疑的，其關(guān)鍵之處就在于效率的提升和價(jià)值的創(chuàng)造是依賴于架構(gòu)的創(chuàng)新，而非傳統(tǒng)的擴(kuò)大規(guī)模的方式?！?/p>