IBM展示碳納米晶圓

在集成電路的晶體管數(shù)目的規(guī)律上，業(yè)界有一個(gè)著名的摩爾定律。摩爾定律指出，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。該定律是由英特爾創(chuàng)始人之一摩爾提出，這些年來(lái)一直與芯片的發(fā)展相符。

硅晶元

目前硅晶體管的制程工藝已經(jīng)達(dá)到了32nm、20nm的水平，而且隨著現(xiàn)在芯片領(lǐng)域越來(lái)越激烈的競(jìng)爭(zhēng)，晶體管的尺寸也越來(lái)越小。例如比較知名的晶圓代工廠GlobalFoundries以及臺(tái)積電、臺(tái)聯(lián)電都加進(jìn)了下一代16nm制程工藝晶圓的研發(fā)。然而隨著集成電路上的晶體管密度越來(lái)越大，其在密度上的增加就越來(lái)越困難。摩爾定律必將將晶體管的大小帶到了一個(gè)物理上得極限。

英特爾晶體管研制計(jì)劃

有報(bào)道指出，現(xiàn)階段普遍應(yīng)用的硅晶體管在尺寸上有一個(gè)10nm的物理極限。目前硅晶體管制程已經(jīng)推進(jìn)到22nm，14nm也近在咫尺，然而根據(jù)英特爾 2011年的一份技術(shù)資料，其10nm制程的CPU要等到2015年。而且10nm也接近了硅晶體管的物理極限。相比之下，要想摩爾定律繼續(xù)有效，碳納米材料更有希望提升晶體管密度來(lái)拯救摩爾定律。

在上周，IBM傳出消息，在碳納米晶體管上取得了重大技術(shù)突破，在單個(gè)芯片上集成了上萬(wàn)個(gè)碳納米晶體管，雖然比起目前硅晶體管密度還有一定差距，但這卻是碳納米晶體管取代硅晶體管的重要一步。而根據(jù)此前的消息，IBM的碳納米晶體管技術(shù)已經(jīng)達(dá)到9nm的制程工藝水平。

晶體管密度

IBM的專家表示，在未來(lái)一個(gè)芯片的碳納米管的密度要達(dá)到10億每平方厘米，才能被廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在這個(gè)只有上萬(wàn)個(gè)晶體管的芯片只是做測(cè)試用。

碳納米晶體管示意圖

根據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，IBM的科學(xué)家們已經(jīng)研制出一種新的芯片，這種芯片是將碳納米管覆蓋層和硅晶片結(jié)合起來(lái)，在單個(gè)芯片上成功放置了上萬(wàn)個(gè)晶體管，雖然相比于目前硅晶體管芯片動(dòng)輒上億的數(shù)目不能相提并論，例如IBM Power7的晶體管數(shù)目就在12億，但是未來(lái)碳納米管可延伸的空間很大。

碳納米管

據(jù)報(bào)道，IBM 首先給碳納米管涂上一種表面活性劑，然后用化學(xué)處理過(guò)的氧化鉿(HfO2)和二氧化硅(SiO2)制作基底，其中溝槽部分使用氧化鉿，再將基底放到碳納米管溶液里，碳納米管就會(huì)通過(guò)化學(xué)鍵附著到氧化鉿溝槽里，最終得以在單個(gè)芯片上制造上萬(wàn)個(gè)晶體管。

早在2011年12月，IBM就展示了碳納米晶體管，聲稱其小于10nm，而在2012年第一個(gè)月底，具體尺寸也公布了，IBM聲明其碳納米晶體管的制程工藝為9nm。相比英特爾2015年才能達(dá)到10nm制程工藝的計(jì)劃，拯救摩爾定律還是要靠新技術(shù)新材料。

9nm碳納米晶體管

在尋找替代硅晶體管的新材料的道路上，IBM無(wú)疑走在前列。2011年12月中旬，在IEEE的一個(gè)電子設(shè)備會(huì)議上，IBM的科學(xué)家向世界展示了全球第一個(gè)小于10nm的晶體管，與目前一般的硅晶體管不同的是，其采用的是碳納米材料。其9nm制程的碳納米晶體管也是目前最小的晶體管。

碳納米晶體管

IBM的研究人員指出，雖然碳納米晶體管在發(fā)展初期還有許多地方需要研究，但是在尺寸上有著巨大優(yōu)勢(shì)。IBM相信10年內(nèi)碳納米晶體管技術(shù)將會(huì)得到普遍應(yīng)用。

碳納米晶體管

拯救摩爾定律，提升集成電路晶體管密度，新材料的尋找是一種解決之道，就像世界能源從當(dāng)初的煤、再到后來(lái)的石油、以及現(xiàn)在的天然氣，有人分析稱每一個(gè)能源在達(dá)到極限時(shí)，必然會(huì)有另外一種替代品。同樣，隨著人類的探索與科技的不斷進(jìn)步，新材料勢(shì)必取代如今的集成電路中的硅晶體材料。

除了尋找新材料外，在芯片結(jié)構(gòu)上，3D芯片也是各自芯片開(kāi)發(fā)者的研究一個(gè)方向。例如美光公司Hybrid Memory Cube(HMC)項(xiàng)目、3D內(nèi)存芯片HMC等等。

Hybrid Memory Cube(HMC)，混合立方內(nèi)存芯片，由美光公司提出，這種混合立體內(nèi)存與CPU的數(shù)據(jù)傳輸速度將是現(xiàn)階段內(nèi)存技術(shù)的10倍以上，以便適應(yīng)高速發(fā)展的處理器和寬帶網(wǎng)絡(luò)。

下一代高性能電腦以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)于內(nèi)存帶寬的要求越來(lái)越高，而隨著當(dāng)前晶體管密度的不斷接近物理極限，簡(jiǎn)單的通過(guò)增加晶體管密度提升性能已經(jīng)十分困難，因此只有通過(guò)架構(gòu)上的改變才能滿足新的要求，這才催生了混合立方內(nèi)存芯片的研究。

HMC是通過(guò)一個(gè)TSV(through-silicon-via硅通道)連接層將內(nèi)存核心連接在一起，達(dá)到高速讀取數(shù)據(jù)的效果。

Hybrid Memory Cube

HMC的基本理念是將芯片層層疊起，和傳統(tǒng)上將一個(gè)系統(tǒng)中的半導(dǎo)體聯(lián)系在一起的做法相比，新方法將用到更多且速度更快的數(shù)據(jù)通路。支持者認(rèn)為，將芯片堆疊起來(lái)的做法除了節(jié)省空間，還能達(dá)到類似于立體電路塊的效果。

按照三星和美光的設(shè)想，HMC的性能相比于目前普遍應(yīng)用的DDR3標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存將有15倍的提升。

再如3D晶體管技術(shù)FinFET，英特爾以及IBM等都對(duì)其有著開(kāi)發(fā)研究。傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的晶體管—場(chǎng)效晶體管 (Field-effecttransistor;FET)，其控制電流通過(guò)的閘門，只能在閘門的一側(cè)控制電路的接通與斷開(kāi)，屬于平面的架構(gòu)。而 FinFET則是一種3D結(jié)構(gòu)，全名為FinField-effecttransistor，鰭式場(chǎng)效晶體管。通過(guò)類似魚鰭的叉狀3D架構(gòu)的閘門，來(lái)控制電路的接通與斷開(kāi)。

IBM與英特爾FinFET晶體管對(duì)比

對(duì)比IBM FinFET雙門晶體管與英特爾三柵極晶體管，我們可以發(fā)現(xiàn)其實(shí)二者之間的差別不是很大，只不過(guò)英特爾將連接兩個(gè)側(cè)閘門的部分也算一個(gè)閘門。其實(shí)不止IBM、三星英特爾等在對(duì)FinFET晶體管研究，還有許多研究機(jī)構(gòu)以及企業(yè)對(duì)3D晶體管表現(xiàn)出濃厚興趣。

摩爾定律

全文總結(jié)：近年來(lái)隨著芯片工藝的不斷發(fā)展，晶體管的尺寸也越來(lái)越接近物理極限，拯救摩爾定律也隨之提出，新材料以及3D結(jié)構(gòu)將是重要的兩個(gè)著手點(diǎn)，摩爾還說(shuō)過(guò)，摩爾定律不是定律，他是一個(gè)機(jī)遇，拯救摩爾定律也需要不斷推陳出新的技術(shù)，而在這一過(guò)程中，誰(shuí)能占得先機(jī)，提升集成電路的晶體管密度，提高芯片性能，誰(shuí)就將在未來(lái)的芯片界站穩(wěn)腳跟。

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