近日，IBM和三星公布了一種新的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)，自稱這種設(shè)計(jì)可以延續(xù)摩爾定律。這一突破性的架構(gòu)將允許垂直電流流動(dòng)的晶體管嵌入到芯片上，從而產(chǎn)生更緊湊的設(shè)備，并為智能手機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行等鋪平了道路。據(jù)悉，新的垂直傳輸場(chǎng)效應(yīng)晶體管(VTFET)設(shè)計(jì)旨在取代當(dāng)前用于當(dāng)今一些最先進(jìn)芯片的FinFET技術(shù)，從本質(zhì)上講，新設(shè)計(jì)將垂直堆疊晶體管，允許電流在晶體管堆疊中上下流動(dòng)，而不是目前大多數(shù)芯片上使用的左右水平布局。

根據(jù)IBM的說(shuō)法，這種新的垂直結(jié)構(gòu)允許在空間中裝入更多的晶體管，同時(shí)還可以影響它們之間的接觸點(diǎn)，以提高電流并節(jié)約能源。該公司表示，該設(shè)計(jì)可能會(huì)使性能翻倍，或者減少85%的能源消耗。

IBM已經(jīng)生產(chǎn)了帶有這種新的VTFET架構(gòu)的測(cè)試芯片，并設(shè)想它在許多領(lǐng)域扮演著改變游戲規(guī)則的角色。隨著物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，這些芯片可以讓海洋浮標(biāo)和自動(dòng)駕駛汽車等設(shè)備以更少的能源運(yùn)行，并可能對(duì)加密貨幣挖礦等能源密集型計(jì)算過(guò)程產(chǎn)生類似的影響，降低其碳足跡。

此外，根據(jù)IBM的說(shuō)法，它還可以讓宇宙飛船更高效，甚至讓智能手機(jī)電池在不充電的情況下使用一周而不是幾天。IBM研究院混合云和系統(tǒng)副總裁Mukesh Khare博士說(shuō)，“今天的技術(shù)聲明是關(guān)于挑戰(zhàn)傳統(tǒng)，重新思考我們?nèi)绾卫^續(xù)推進(jìn)社會(huì)，并提供新的創(chuàng)新，以改善生活、業(yè)務(wù)和減少我們的環(huán)境影響。”“考慮到該行業(yè)目前在多個(gè)方面面臨的限制，IBM和三星正在展示我們?cè)诎雽?dǎo)體設(shè)計(jì)方面的聯(lián)合創(chuàng)新的承諾，并共同追求我們所說(shuō)的‘硬技術(shù)’。”他補(bǔ)充說(shuō)。

兩家公司于12 月15日宣布，與縮放鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (finFET) 相比，新的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)有可能將能源使用量減少85%。三星電子還公布了一項(xiàng)生產(chǎn) IBM 5納米芯片的計(jì)劃，用于服務(wù)器。

VTFET是一種在芯片表面垂直堆疊晶體管的技術(shù)。從歷史上看，晶體管被制造成平放在半導(dǎo)體表面上，電流橫向流過(guò)它們。借助 VTFET，IBM 和三星已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了垂直于芯片表面構(gòu)建的晶體管，并具有垂直或上下電流。

VTFET 工藝解決了許多性能障礙和限制，以擴(kuò)展摩爾定律，因?yàn)樾酒O(shè)計(jì)人員試圖將更多晶體管裝入固定空間。它還影響晶體管的接觸點(diǎn)，從而以更少的能量浪費(fèi)獲得更大的電流?？傮w而言，與按比例縮放的 finFET 替代方案相比，新設(shè)計(jì)旨在將性能提高兩倍或?qū)⒛茉词褂脺p少85%。

IBM和三星電子在美國(guó)紐約州的奧爾巴尼納米技術(shù)研究中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)了 VTFET 技術(shù)。

同一天，IBM還宣布三星將生產(chǎn)基于節(jié)點(diǎn)的 5 納米IBM芯片。該芯片有望使用在IBM自己的服務(wù)器平臺(tái)。三星在2018年宣布將制造 IBM 的7納米芯片，該芯片在今年早些時(shí)候用于 IBM Power10 服務(wù)器系列。IBM今年 4 月亮相的人工智能(AI)處理器Telum也是三星基于IBM的設(shè)計(jì)制造的。

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，在2021 IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議(IEDM)上 藍(lán)色巨人IBM與韓國(guó)三星共同發(fā)布「垂直傳輸場(chǎng)效應(yīng)晶體管」(VTFET) 芯片設(shè)計(jì)。將晶體管以垂直方式堆疊，并讓電流也垂直流通，使晶體管數(shù)量密度再次提高，更大幅提高電源使用效率，并突破1 納米制程的瓶頸。

相較傳統(tǒng)將晶體管以水平放置，垂直傳輸場(chǎng)效應(yīng)晶體管將能增加晶體管數(shù)量堆疊密度，并讓運(yùn)算速度提升兩倍，同時(shí)借電流垂直流通，使功耗在相同性能發(fā)揮下降低85%。

IBM 和三星指出，此技術(shù)能在未來(lái)手機(jī)一次充電續(xù)航力就達(dá)一星期，可使某些耗能密集型任務(wù)如加密運(yùn)算更省電，減少對(duì)環(huán)境的影響。不過(guò)IBM 與三星尚未透露何時(shí)開(kāi)始將垂直傳輸場(chǎng)效應(yīng)晶體管設(shè)計(jì)應(yīng)用于產(chǎn)品，但是市場(chǎng)人士預(yù)估，短時(shí)間內(nèi)會(huì)有進(jìn)一步消息。

相對(duì)IBM 與三星技術(shù)成果發(fā)表，晶圓代工龍頭臺(tái)積電也在5 月宣布，與臺(tái)灣大學(xué)、麻省理工學(xué)院共同研究，以鉍金屬特性突破1納米制程極限，下探至1納米以下。英特爾日前也公布制程發(fā)展布局，除了現(xiàn)有納米級(jí)制程節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，接下來(lái)也會(huì)開(kāi)始布局埃米等級(jí)制程，預(yù)計(jì)最快2024 年進(jìn)入20A 制程節(jié)點(diǎn)。

VTFET 為延續(xù)摩爾定律找到了一條途徑，不知這種工藝何時(shí)能夠落地，制成芯片落到我們的手中。

早在 1965 年，計(jì)算機(jī)科學(xué)家戈登 · 摩爾(Gordon Moore)首先提出假設(shè)：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過(guò) 18 個(gè)月便會(huì)增加一倍，同時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和存儲(chǔ)容量也翻一番。這就是半導(dǎo)體領(lǐng)域著名的摩爾定律。當(dāng)前，可以塞進(jìn)單個(gè)芯片的晶體管數(shù)量幾乎達(dá)到了極限。

但與此同時(shí)，計(jì)算系統(tǒng)的前進(jìn)道路并沒(méi)有放緩。動(dòng)態(tài) AI 系統(tǒng)已準(zhǔn)備好為人們生活的方方面面(從道路安全到藥物發(fā)現(xiàn)和先進(jìn)制造)提供動(dòng)力，這就需要未來(lái)出現(xiàn)性能更強(qiáng)大的芯片。因此，為了延續(xù)摩爾假設(shè)的速度和計(jì)算能力的進(jìn)步，我們需要制造具有多達(dá) 1000 億個(gè)晶體管的芯片。

IBM 研究院與三星合作，在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)方面取得了突破性進(jìn)展，聲稱有助于摩爾定律在未來(lái)幾年保持活力，并重塑半導(dǎo)體行業(yè)。他們提出了一種在芯片上垂直堆疊晶體管的新方法，稱為垂直傳輸納米片場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Vertical-Transport Nanosheet Field Effect Transistor, VTFET)。當(dāng)今，主流的芯片架構(gòu)采用橫向傳輸場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，例如鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)，因硅體類似魚(yú)背鰭而得名。finFET 在設(shè)計(jì)上沿著晶圓表面對(duì)晶體管分層，電流沿水平方向流動(dòng)。與這類設(shè)計(jì)不同的是，VTFET 是在垂直于硅晶圓的方向上將晶體管分層，并允許電流在堆疊晶體管中上下流動(dòng)。

雖然我們無(wú)從知曉 VTFET 設(shè)計(jì)工藝何時(shí)能夠制成芯片為我們所用，但是IBM和三星已經(jīng)提出了一些大膽的想法：

手機(jī)充一次電可以用一周;

數(shù)據(jù)加密等能源密集型流程需要的能源會(huì)大大減少，碳足跡也會(huì)更小;

用于更強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，使它們能夠在更多樣化的環(huán)境中運(yùn)行，如海洋浮標(biāo)、自動(dòng)駕駛汽車和航天器。

除IBM和三星，英特爾也在今年夏天公布了其即將推出的 RibbonFET(英特爾首款全環(huán)柵晶體管)設(shè)計(jì)，這是其在FinFET技術(shù)上獲得的專利。這項(xiàng)技術(shù)將成為英特爾 20A 代半導(dǎo)體產(chǎn)品的一部分，而20A代芯片則計(jì)劃于 2024 年開(kāi)始量產(chǎn)。

半導(dǎo)體的垂直設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展許久，并從現(xiàn)在通用的FinFET技術(shù)中獲得了一定的靈感。當(dāng)平面空間已經(jīng)更難讓晶體管進(jìn)行堆疊時(shí)，未來(lái)唯一真正的方向或許就是向上堆疊。