IBM和三星在半导体设计方面取得重大突破

在2021 IEEE国际电子器件会议(IEDM)上，IBM和三星联合宣布，他们在半导体设计方面取得一项重大突破。

IBM和三星采用了一种新的垂直晶体管架构，即垂直传输场效应晶体管(Vertical Transport Field Effect Transistors，VTFET),该架构展示了超越纳米片的扩展路径，并且与按比例缩放的鳍式场效应晶体管 (FinFET)相比，有可能将能耗降低 85%。

在纽约奥尔巴尼的纳米技术中心(Albany Nanotech Complex)拥有世界领先的半导体研究生态系统，通过这种协作创新，带来了强大的创新渠道，有助于满足半导体制造需求，并加速全球芯片行业的发展。全球半导体短缺凸显了在芯片研发中投资的关键作用，以及芯片在计算、家电、通信设备、交通系统和关键基础设施等方方面面的重要性。

新的垂直晶体管突破可以帮助半导体行业继续其不懈的旅程，实现重大改进，包括：

• 改进器件架构，使半导体器件的扩展能够继续超越纳米片。

• 手机电池可以使用一周以上不用充电，而不是几天。

• 可能使加密操作和数据加密等能源密集型工作需要的能源大大减少，从而减少碳足迹。

• 物联网和能源需求较低的边缘设备将持续扩展，使它们能够在更多样化的环境中运行，例如海洋浮标、自动驾驶汽车和航天器。

在传统芯片设计中，晶体管一直是平放在半导体表面上，电流横向流动，就是从一侧到另一侧。借助新型垂直传输场效应晶体管(VTFET)，IBM 和三星成功实现了垂直于芯片表面构建晶体管，从而具有垂直或上下流动的电流。

摩尔定律正在迅速接近被认为是不可逾越的障碍。简而言之，随着越来越多的晶体管被塞进一个有限的区域，工程师们的空间就快用完了。VTFET 工艺解决了许多性能障碍和扩展摩尔定律的限制。它还影响晶体管的接触点，允许更大的电流流过而能量浪费更少。

VTFET将晶体管以垂直方式堆叠，并且让电流也以垂直方式流通，借此让晶体管数量密度再次提高之外，更大幅度提高了电源使用效率，突破了目前的制程设计瓶颈。VTFET另辟蹊径，攻克了常规做法所面临的诸多难以逾越的困难和瓶颈，使芯片设计人员可以在相同的面积上放置更多的晶体管，而整体上不会增加较大的功耗。

在相同占位面积和激进的低于 45nm 栅极间距两种情况下，将VTFET 纳米片和按比例缩放的 FinFET 器件仿真结果进行比较。由于 VTFET 保持良好的静电和寄生效应，而 FinFET 性能受到严格的缩放限制的影响，VTFET 纳米片在等效功率下提供了按比例缩放的 FinFET 约 2 倍的性能。或者，与外推的功率性能曲线上的等效频率相比，VTFET 与按比例缩放的 FinFET 架构相比功率降低可以多达 85%。

IBM和三星双方在芯片领域的探索合作还不止于此。此外，三星将用5纳米工艺为IBM代工制造芯片，预计是用于IBM的服务器平台。在这之前，IBM Power10 系列服务器中的处理器和 IBM Telum处理器也是由三星采用7纳米工艺代工制造的。

近期，IBM方面还宣布在2纳米芯片制造技术方面取得了重要突破，可实现在指甲大小的空间中安装多达 500 亿个晶体管。IBM的半导体突破很多，包括首次实现 7 纳米和 5 纳米工艺技术、高 k 金属栅极技术、SiGe沟道晶体管、单单元 DRAM、Dennard 比例定律、化学放大光刻胶、铜互连布线、绝缘体上硅技术、多核微处理器、嵌入式 DRAM 和 3D 芯片堆叠等。

VTFET 创新专注在一个全新的维度，它为摩尔定律的延续提供了新途径，当然也可以进一步提高芯片的性能。IBM 研究院混合云和系统副总裁 Mukesh Khare 博士表示：这项新技术突破传统思路，重新思考我们应该如何持续推动社会进步，通过提供新的创新来改善人类生活和工作，并减少对环境所带来的负面影响。

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审核编辑：汤梓红