拯救摩尔定律 IBM 9nm工艺碳纳米晶体管 - 全文

　　根据最新消息，IBM成功利用碳纳米材料，在单个芯片上集成了上万个9nm制程工艺的晶体管，相信大家对于著名的摩尔定律都略知一二，但是随着集成电路晶体管尺寸越来越小，CPU内存等芯片的发展势必与摩尔定律有些出入。要想继续按照摩尔定律发展，寻求新材料就成为一种必然，碳纳米料就是其中之一，另外3D芯片也是拯救摩尔定律的一种方法，三星、IBM、英特尔等等都在致力于3D芯片的研究。

　　IBM展示碳纳米晶圆

　　在集成电路的晶体管数目的规律上，业界有一个著名的摩尔定律。摩尔定律指出，当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。该定律是由英特尔创始人之一摩尔提出，这些年来一直与芯片的发展相符。

　　硅晶元

　　目前硅晶体管的制程工艺已经达到了32nm、20nm的水平，而且随着现在芯片领域越来越激烈的竞争，晶体管的尺寸也越来越小。例如比较知名的晶圆代工厂GlobalFoundries以及台积电、台联电都加进了下一代16nm制程工艺晶圆的研发。然而随着集成电路上的晶体管密度越来越大，其在密度上的增加就越来越困难。摩尔定律必将将晶体管的大小带到了一个物理上得极限。

　　英特尔晶体管研制计划

　　有报道指出，现阶段普遍应用的硅晶体管在尺寸上有一个10nm的物理极限。目前硅晶体管制程已经推进到22nm，14nm也近在咫尺，然而根据英特尔2011年的一份技术资料，其10nm制程的CPU要等到2015年。而且10nm也接近了硅晶体管的物理极限。相比之下，要想摩尔定律继续有效，碳纳米材料更有希望提升晶体管密度来拯救摩尔定律。

　　在上周，IBM传出消息，在碳纳米晶体管上取得了重大技术突破，在单个芯片上集成了上万个碳纳米晶体管，虽然比起目前硅晶体管密度还有一定差距，但这却是碳纳米晶体管取代硅晶体管的重要一步。而根据此前的消息，IBM的碳纳米晶体管技术已经达到9nm的制程工艺水平。

　　晶体管密度

　　IBM的专家表示，在未来一个芯片的碳纳米管的密度要达到10亿每平方厘米，才能被广泛应用，现在这个只有上万个晶体管的芯片只是做测试用。

　　碳纳米晶体管示意图

　　根据国外媒体报道，IBM的科学家们已经研制出一种新的芯片，这种芯片是将碳纳米管覆盖层和硅晶片结合起来，在单个芯片上成功放置了上万个晶体管，虽然相比于目前硅晶体管芯片动辄上亿的数目不能相提并论，例如IBM Power7的晶体管数目就在12亿，但是未来碳纳米管可延伸的空间很大。

　　碳纳米管

　　据报道，IBM 首先给碳纳米管涂上一种表面活性剂，然后用化学处理过的氧化铪（HfO2）和二氧化硅（SiO2）制作基底，其中沟槽部分使用氧化铪，再将基底放到碳纳米管溶液里，碳纳米管就会通过化学键附着到氧化铪沟槽里，最终得以在单个芯片上制造上万个晶体管。

　　早在2011年12月，IBM就展示了碳纳米晶体管，声称其小于10nm，而在2012年第一个月底，具体尺寸也公布了，IBM声明其碳纳米晶体管的制程工艺为9nm。相比英特尔2015年才能达到10nm制程工艺的计划，拯救摩尔定律还是要靠新技术新材料。

　　9nm碳纳米晶体管

　　在寻找替代硅晶体管的新材料的道路上，IBM无疑走在前列。2011年12月中旬，在IEEE的一个电子设备会议上，IBM的科学家向世界展示了全球第一个小于10nm的晶体管，与目前一般的硅晶体管不同的是，其采用的是碳纳米材料。其9nm制程的碳纳米晶体管也是目前最小的晶体管。

　　碳纳米晶体管

　　IBM的研究人员指出，虽然碳纳米晶体管在发展初期还有许多地方需要研究，但是在尺寸上有着巨大优势。IBM相信10年内碳纳米晶体管技术将会得到普遍应用。

　　碳纳米晶体管

　　拯救摩尔定律，提升集成电路晶体管密度，新材料的寻找是一种解决之道，就像世界能源从当初的煤、再到后来的石油、以及现在的天然气，有人分析称每一个能源在达到极限时，必然会有另外一种替代品。同样，随着人类的探索与科技的不断进步，新材料势必取代如今的集成电路中的硅晶体材料。

　　除了寻找新材料外，在芯片结构上，3D芯片也是各自芯片开发者的研究一个方向。例如美光公司Hybrid Memory Cube（HMC）项目、3D内存芯片HMC等等。

　　Hybrid Memory Cube（HMC），混合立方内存芯片，由美光公司提出，这种混合立体内存与CPU的数据传输速度将是现阶段内存技术的10倍以上，以便适应高速发展的处理器和宽带网络。

　　下一代高性能电脑以及网络设备对于内存带宽的要求越来越高，而随着当前晶体管密度的不断接近物理极限，简单的通过增加晶体管密度提升性能已经十分困难，因此只有通过架构上的改变才能满足新的要求，这才催生了混合立方内存芯片的研究。

　　HMC是通过一个TSV（through-silicon-via硅通道）连接层将内存核心连接在一起，达到高速读取数据的效果。

　　Hybrid Memory Cube

　　HMC的基本理念是将芯片层层叠起，和传统上将一个系统中的半导体联系在一起的做法相比，新方法将用到更多且速度更快的数据通路。支持者认为，将芯片堆叠起来的做法除了节省空间，还能达到类似于立体电路块的效果。

　　按照三星和美光的设想，HMC的性能相比于目前普遍应用的DDR3标准内存将有15倍的提升。

　　再如3D晶体管技术FinFET，英特尔以及IBM等都对其有着开发研究。传统标准的晶体管—场效晶体管 （Field-effecttransistor；FET），其控制电流通过的闸门，只能在闸门的一侧控制电路的接通与断开，属于平面的架构。而FinFET则是一种3D结构，全名为FinField-effecttransistor，鳍式场效晶体管。通过类似鱼鳍的叉状3D架构的闸门，来控制电路的接通与断开。

　　IBM与英特尔FinFET晶体管对比

　　对比IBM FinFET双门晶体管与英特尔三栅极晶体管，我们可以发现其实二者之间的差别不是很大，只不过英特尔将连接两个侧闸门的部分也算一个闸门。其实不止IBM、三星英特尔等在对FinFET晶体管研究，还有许多研究机构以及企业对3D晶体管表现出浓厚兴趣。

　　摩尔定律

　　全文总结：近年来随着芯片工艺的不断发展，晶体管的尺寸也越来越接近物理极限，拯救摩尔定律也随之提出，新材料以及3D结构将是重要的两个着手点，摩尔还说过，摩尔定律不是定律，他是一个机遇，拯救摩尔定律也需要不断推陈出新的技术，而在这一过程中，谁能占得先机，提升集成电路的晶体管密度，提高芯片性能，谁就将在未来的芯片界站稳脚跟。