揭秘IBM的30亿美元“超越摩尔定律”计划

电子工程世界 2020-08-09 00:00 1019浏览 0评论 0点赞

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近日，IBM研究人员针对其“7nm and Beyond”项目在芯片技术方面的创新，向业界分享了他们的观点。架构方面，IBM认为纳米片晶体管超越FinFET的重要技术。同时，人工智能技术发展下的异构架构系统将成为未来计算发展的关键。

早在2014年，随着“摩尔定律将死”的观点在芯片行业四起，雄心勃勃的IBM耗资30亿美元，启动了一个名为“7nm and Beyond”的项目，期望通过为期5年的研究，看看在芯片尺寸不断缩小的物理效应作用下，未来的计算技术将如何发展。

“在实现设备扩展和性能差异化的过程中，都无法停止对新设备架构和新材料的探索。”IBM高级逻辑和存储技术研究、半导体和AI硬件部门主管Huiming Bu谈到，虽然摩尔定律已无法很好地指导芯片技术的发展，但在计算领域，创新仍是发展的必经之路。其中，“7nm and Beyond”项目就能够满足计算领域不断增长的创新需求。

01 芯片迈向7nm的关键：EUV光刻技术

2015年，在整个芯片行业都处于14nm向10nm制程工艺转型的时期，IBM宣布了 全球首款7nm测试芯片，由格罗方德、三星和纽约州立大学理工学院纳米工程合作研发。

当时，他们首次在晶体管中加入了一种名为“硅锗”（简称SiGe）的材料，以替代原有的纯硅，同时还采用了荷兰光刻机巨头ASML的极紫外光刻（EUV）技术。

在芯片制造过程中，光刻是一种通过利用光学和化学反应原理，将芯片电路图转移到晶圆表面的工艺技术。一般的光刻工艺需要经过清洗烘干、旋涂光刻胶、对准曝光和刻蚀等数百道工序，占整个芯片制造环节的50%左右。

EUV技术则是一种采用波长13.5nm的极紫外光作为光源的光刻技术，对光照强度、能耗效率和精度等都有极高要求。

在2015年，市场上主流的光刻技术为波长248nm的KrF光刻和波长193nm的ArF光刻，均采用浸没式DUV光刻机，而ASML的EUV光刻机也才刚进入商用阶段不久。

据了解，与当时的10nm工艺芯片相比，IBM的7nm芯片面积缩小将近一半，可容纳超200亿个晶体管，效能也提升了50%。

在Huiming Bu看来，EUV不仅是推进芯片实现7nm节点，并超5nm制程不断发展的的关键技术。

Huiming Bu谈到，回望2014年到2015年，整个半导体行业对EUV技术的实际可行性都存在着很大疑问，但现在EUV技术已成为推动芯片先进制程发展的主流技术。“当IBM基于EUV技术交付第一款7nm芯片时，它帮助我们建立了行业使用EUV制造的动力和信心。”他说。

但IBM的野心不止于7nm，而是要超越7nm。

02 摩尔定律发展的“最后一步”：纳米片晶体管

在IBM看来，纳米片晶体管（Nanometers transistor）将是实现超越FinFET（鳍式场效应晶体管）的重要基础元素，亦是FinFET架构的替代品，有望实现芯片制程从7nm到5nm、3nm节点的过渡。也有不少行业人士认为，纳米片晶体管很可能是摩尔定律发展的最后一步。

为此，IBM研究人员研发了首批碳纳米晶体管。

何为纳米片晶体管？简单地说，纳米片场效应晶体管能够使电流流经多叠层硅片，这些硅片完全被晶体管栅极所环绕。该设计大大减少了关闭状态下可能泄漏的电流量，让开关在打开时可使用更多电流来驱动器件。

“三年前，业界对FinFET以外的半导体结构提出疑问；三年后，整个行业都在支持纳米片晶体管技术，认为它将是继FinFET后的下一代半导体结构。”Huiming Bu说。

其中，三星就打算在研发3nm制程节点时，引入纳米片晶体管技术。

03 布线的创新点：扩大对铜线的使用

除了对芯片架构的创新应用外，如何在芯片设计阶段对布线进行重新设计，也是IBM研究人员研发的方向之一。

经过“7nm and Beyond”项目研究，IBM研究人员对如何在这些晶体管和开关上进行布线有了一定的见解。

“我们的创新之一就是尽可能地增加对铜线的使用。”IBM研究员Daniel Edelstein谈到，其中最困难的部分在于对极其微小的沟槽进行图案化，并用铜进行填充，使其没有缺陷。

实际上，现阶段铜的使用在晶体管布线中仍存在挑战，但Edelstein认为，在未来短时间内，行业将不会从铜迁移到其他更特殊的材料。“因为就目前的生产而言，铜的使用肯定还没有达到极限。”他说。

04 AI推动异构集成发展，新兴存储器取得突破

对IBM来说，芯片尺寸、架构和材料驱动了“7nm and Beyond”项目的许多创新发展，但Edelstein和Huiming Bu都注意到，人工智能（AI）也在未来计算技术的发展中扮演着关键的角色。

“随着AI、大脑启发式计算和其他非数字计算的出现，我们开始在研究层面开发其他设备，尤其是新兴的存储设备。”Edelstein谈到，如相变存储器（PCM）、忆阻器（Memristor），这些已被行业认为是模拟计算设备。

IBM认为，这些新存储设备的出现，让人们重新思考传统数据存储之外的潜在应用。

目前，IBM研究人员正在思考和开发磁阻式随机存取内存（MRAM）的新应用，而IBM从30年前MRAM首次面世以来就开始投入研究。

“如今，MRAM终于取得一定的突破。”Edelstein说，它不仅可以实现制造，还可以满足与静态随机存取存储器（SRAM）在系统缓存竞争方面所需的各种要求。

2019年，半导体和显示设备制造商应用材料为客户提供的相关解决方案，就直接证明了MRAM和其他非易失性存储器（包括RRAM和PCM）能够直接嵌入处理器中。

“将各种组件集成到统一计算系统的需求，正开始推动一个异构集成的全新世界。”在Huiming Bu看来，构建异构架构系统不仅将成为未来计算发展的关键，亦是受AI需求驱动下一种新的行业创新策略。

05 结语：IBM为追求高效计算性能攻克先进制程技术

作为全球重要的信息技术公司，IBM“7nm and Beyond”项目对新设备、新材料和新计算架构的探索，是它在不断追求实现更高效计算性能过程中，所迈出的重要一步。

随着如今芯片制程技术发展到5nm，并不断往更精细、更先进的制程推进，我们期待IBM在未来能够为半导体行业带来更多的创新思路和惊喜。

文章来源：Spectrum IEEE

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01

芯片迈向7nm的关键：EUV光刻技术

02

摩尔定律发展的“最后一步”：纳米片晶体管

03

布线的创新点：扩大对铜线的使用

04

AI推动异构集成发展，新兴存储器取得突破

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