IBM展示前沿芯片技術：3D晶體管碳納米管

發布時間：2013-2-21 22:54 發布者：Liming

1、Common Platform 2013技術大會
　　【PConline 資訊】IBM在Common Platform技術論壇上展示了藍色巨人對未來晶圓的發展預測，Common Platform是IBM、Globalfoundries和Samsung的聯盟，旨在研究3D晶體管FinFET的芯片。在2月份舉行的這次Common Platform 2013技術論壇上，IBM除了展示FinFET這種3D晶體管技術外，還展示了諸如硅光子晶體管，碳納米管等前沿技術。

Common Platform 2013技術論壇

　　在集成電路的晶體管數目的規律上，業界有一個著名的摩爾定律。摩爾定律指出，當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。該定律是由英特爾創始人之一摩爾提出，這些年來一直與芯片的發展相符。

硅晶元

　　目前硅晶體管的制程工藝已經達到了32nm、20nm的水平，而且隨著現在芯片領域越來越激烈的競爭，晶體管的尺寸也越來越小。例如比較知名的晶圓代工廠GlobalFoundries以及臺積電、臺聯電都加進了下一代14nm制程工藝晶圓的研發。然而隨著集成電路上的晶體管密度越來越大，其在密度上的增加就越來越困難。摩爾定律必將將晶體管的大小帶到了一個物理上的極限。

英特爾晶體管研制計劃

　　有報道指出，現階段普遍應用的硅晶體管在尺寸上有一個10nm的物理極限。目前硅晶體管制程已經推進到22nm，14nm也近在咫尺，然而根據英特爾2011年的一份技術資料，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，要想摩爾定律繼續有效，碳納米材料更有希望提升晶體管密度來拯救摩爾定律。

　　IBM半導體研究部門負責人Gary Patton表示，45nm制程工藝的芯片已經開始在穩步的推出市場。對于目前的硅晶體管的10nm物理極限，Patton認為極限的EUV光刻技術可能讓晶體管突破10nm這一大關。
2、IBM展示前沿晶體管技術
　　EUV光刻技術，在芯片制作的過程中，晶體管實際是一個個非常小的電路回路。而將這些電路回路刻在芯片的就是采用光刻技術，晶體管的大小很大一定程度要取決于光刻技術，就比如說，你用很細的筆才能寫出很細小的字，而用毛筆是絕對辦不到的。而目前最先進的EUV光刻技術理論上能印刷出最小7nm的電子回路。

IBM展示光刻技術

　　芯片制造者目前能將這些非常復雜的雙縫衍射的光刻技術處理過程限制在20nm的范圍中，不過IBM想出解決方法，將制程工藝提高到10nm。IBM的Gary Patton列出了幾種技術，來緩解這些雙縫干涉的問題。

IBM解決光刻技術難題方案

　　Gary Patton提到，EUV光刻技術，最大的挑戰在于EUV光刻技術采用的射線波長只有13nm，這種波很容易被物質吸收。
　　盡管如此，Gary Patton堅信CMOS支持工藝仍然會繼續向前發展，但是需要一些新的技術，比如碳納米晶體管和硅光子晶體管等。

FinFET的發明人胡正明在中國演講

　　FinFET晶體管又稱3D晶體管，而3D晶體管之后有一個技術熱點則是碳納米管晶體管。　FinFET的發明人為美籍華人胡正明（Chenming Hu），早在2011年就開始了對FinFET的研究。胡正明于1947年生于北京，現任美國加州大學伯克利分校杰出講座教授、北京大學計算機科學技術系兼職教授、中國科學院微電子所榮譽教授、臺灣交通大學(新竹)微電子器件榮譽教授。

3、3D晶體管技術FinFET
　　傳統標準的晶體管—場效晶體管 (Field-effecttransistor；FET)，其控制電流通過的閘門，只能在閘門的一側控制電路的接通與斷開，屬于平面的架構。而FinFET則是一種3D結構，全名為FinField-effecttransistor，鰭式場效晶體管。通過類似魚鰭的叉狀3D架構的閘門，來控制電路的接通與斷開。

FinFET

　　通過這種3D晶體管閘門的設計可以大幅改善電路控制并減少漏電流(leakage)，也可以大幅縮短晶體管的閘長，將晶體管制程工藝提高到更小的尺寸，以達到摩爾定律的預測。英特爾馬宏升談到摩爾定律，雖然按照摩爾定律晶體管的性能的不斷提升給了芯片制造商不容小覷的壓力，但是壓力就是動力，也是一個機遇。

Commom Platfrom

　　在2012年3月份，IBM、三星以及GlobalFoundries成立了名為Commom Platfrom的聯盟，共同對FinFET晶體管也就是3D晶體管進行研究，交換各自的研究成果，旨在更快的推出14nm的3D晶體管。

Commom Platfrom 2012技術論壇

　　3月14日，在舊金山舉辦的Commom Platfrom 2012技術論壇上，來自三星的發言人Anna Hunter表示，Commom Platfrom將會在2014至2015年之間推出3D晶體管。

　　而在Commom Platfrom 2013技術論壇上，IBM不僅展示了3D晶體管技術，而且同時展示了碳納米管技術以及硅光子技術。

4、碳納米管及硅納米光子
　　IBM此前就傳出消息，在碳納米晶體管上取得了重大技術突破，在單個芯片上集成了上萬個碳納米晶體管，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。IBM的碳納米晶體管技術已經達到9nm的制程工藝水平。

IBM展示碳納米晶圓

　　根據國外媒體報道，IBM的科學家們已經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合起來，在單個芯片上成功放置了上萬個晶體管，雖然相比于目前硅晶體管芯片動輒上億的數目不能相提并論，例如IBM Power7的晶體管數目就在12億，但是未來碳納米管可延伸的空間很大。

碳納米晶體管示意圖

　　IBM另外還展示了一種使用光代替電子信號來進行數據傳輸的技術，該技術可能很快會讓大文件傳輸的限制變成歷史，測試中每個通道的數據傳輸率能夠達到25Gbps。

　　IBM聲稱，這種光數據傳輸技術，用光脈沖替代了電子信號，名為“硅納米光子學”，可在單一一塊通過亞100nm半導體技術制成的硅芯片上創建出一個讓不同光學部件和電路協作的環境。

硅納米光子工作原理示意圖

　　硅納米光子學旨在讓服務器、大型數據中心和超級計算機中電腦芯片傳輸大量數據的速度加快。通過對光脈沖而非電子信號的使用，該研究領域背后的理念是為了減緩計算機中繼點之間的擁堵，并削減傳統互聯方式的費用。

硅納米光子學

　　IBM表示，測試中該傳輸系統的速率超乎尋常，能夠達到每通道25Gbps的數據傳輸速率。另外，該技術還能夠應對多個并行光學數據流，并利用緊湊型芯片內波分復用設備把它們扭曲成單股光纖。這種在高速率下多路傳輸大量數據流的理念預計會很快投入商業應用。
　　【全文總結】：隨著晶體管尺寸和密度越來越接近物理極限，拯救摩爾定律則需要新的技術，對于下一代的3D晶體管技術，誰能占得先機？有消息稱，77%的FinFET技術專利是由GlobalFoundries、IBM、三星等聯盟共同擁有IBM、三星、GlobalFoundries的聯盟能否在3D晶體管技術中搶占市場先機，讓我們拭目以待吧。（太平洋電腦網）

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