IBM试产5nm芯片:指甲盖大小可容纳300亿晶体管

摘要:当前商用晶体管栅极大小在 10nm 左右,但是 IBM 早已开始了 7nm、甚至 5nm 工艺的研究。不过为了制造 5nm 芯片,IBM 也抛弃了标准的 FinFET 架构,取而代之的是四层堆叠纳米材料。

当前商用晶体管栅极大小在 10nm 左右,但是 IBM 早已开始了 7nm、甚至 5nm 工艺的研究。不过为了制造 5nm 芯片,IBM 也抛弃了标准的 FinFET 架构,取而代之的是四层堆叠纳米材料。于是在指甲盖大小的芯片面积里,即可塞下大约 300 亿个晶体管,且能耗与效率都得到了保证。自 1970 年代以来,芯片行业在摩尔定律的加持下发展了几十年(每隔两年、芯片晶体管数翻一番),但近年来遇到了一些瓶颈。

IBM试产5nm芯片:指甲盖大小可容纳300亿晶体管

在纽约生产设施内测试的 5nm 芯片晶圆

在消费电子领域,14nm 芯片仍属于比较先进的标准,不过英特尔和三星的 10nm 工艺也已经向高端市场杀进。

研发方面,各公司也没有停下脚步,比如早在 2015 年,IBM 就携手 Global Foundries 和三星试产了一款 7nm 芯片。

该原型在指甲盖大小的面积里,塞进去了大约 200 亿个晶体管。得益于新工艺和新材料,其有望在 2019 年投入商用。

IBM试产5nm芯片:指甲盖大小可容纳300亿晶体管

IBM 研究院 5nm 晶体管扫描图,其由堆叠硅纳米材料制成。

不过现在,IBM 公布了他们的下一步计划,将单个栅极的直径进一步缩减到 5nm,在同等面积下可挤下额外的 100 亿晶体管。尽管当前制造技术有潜力缩减至 5nm,但研究团队还是选择开发一种全新的架构。

自 2011 年以来,半导体行业采用 FinFET(鳍式场效应晶体管)工艺已有多年。恰如其名,它的样子有点像鱼鳍,三个载流通道被一个绝缘层所包围,但是这项技术也已接近可以缩小到的工艺极限。

IBM试产5nm芯片:指甲盖大小可容纳300亿晶体管

研究员 Nicolas Loubet 手持一片新型 5nm 芯片晶圆

IBM 团队表示,继续缩减 FinFET,并不会对性能提升有太大的帮助。有鉴于此,他们在 5nm 芯片上采用了堆叠式硅纳米层,一次可向四个栅极发送信号(而不像 FinFET 那样一次只能向三个栅极发射)。

借助极紫外线光刻技术,他们可以在晶圆上绘制出更小的细节。与当前技术相比,它不仅光波能量高出许多,还支持在制造过程中持续调节芯片的功耗和性能。

IBM试产5nm芯片:指甲盖大小可容纳300亿晶体管

与当前 10nm 芯片相比,5nm 原型芯片在额定功率下的性能可提升 40%,或在匹配性能下降低高达 75% 的能耗。

未来我们有望见到更多更小、更强大、更有效率的电子设备,不过当前 10nm 也才商用不久,7nm 要等到 2019,5nm 也还得再多等上几年。

来源:IBM

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