技術(shù)
導(dǎo)讀:雖然摩爾定律已無(wú)法很好地指導(dǎo)芯片技術(shù)的發(fā)展,但在計(jì)算領(lǐng)域,創(chuàng)新仍是發(fā)展的必經(jīng)之路。
芯東西7月31日消息,近日,IBM研究人員針對(duì)其“7nm and Beyond”項(xiàng)目在芯片技術(shù)方面的創(chuàng)新,向業(yè)界分享了他們的觀點(diǎn)。架構(gòu)方面,IBM認(rèn)為納米片晶體管超越FinFET的重要技術(shù)。同時(shí),人工智能技術(shù)發(fā)展下的異構(gòu)架構(gòu)系統(tǒng)將成為未來(lái)計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵。
早在2014年,隨著“摩爾定律將死”的觀點(diǎn)在芯片行業(yè)四起,雄心勃勃的IBM耗資30億美元,啟動(dòng)了一個(gè)名為“7nm and Beyond”的項(xiàng)目,期望通過(guò)為期5年的研究,看看在芯片尺寸不斷縮小的物理效應(yīng)作用下,未來(lái)的計(jì)算技術(shù)將如何發(fā)展。
“在實(shí)現(xiàn)設(shè)備擴(kuò)展和性能差異化的過(guò)程中,都無(wú)法停止對(duì)新設(shè)備架構(gòu)和新材料的探索?!盜BM高級(jí)邏輯和存儲(chǔ)技術(shù)研究、半導(dǎo)體和AI硬件部門(mén)主管Huiming Bu談到,雖然摩爾定律已無(wú)法很好地指導(dǎo)芯片技術(shù)的發(fā)展,但在計(jì)算領(lǐng)域,創(chuàng)新仍是發(fā)展的必經(jīng)之路。其中,“7nm and Beyond”項(xiàng)目就能夠滿足計(jì)算領(lǐng)域不斷增長(zhǎng)的創(chuàng)新需求。
一、芯片邁向7nm的關(guān)鍵:EUV光刻技術(shù)
2015年,在整個(gè)芯片行業(yè)都處于14nm向10nm制程工藝轉(zhuǎn)型的時(shí)期,IBM宣布了全球首款7nm測(cè)試芯片,由格羅方德、三星和紐約州立大學(xué)理工學(xué)院納米工程合作研發(fā)。
當(dāng)時(shí),他們首次在晶體管中加入了一種名為“硅鍺”(簡(jiǎn)稱(chēng)SiGe)的材料,以替代原有的純硅,同時(shí)還采用了荷蘭光刻機(jī)巨頭ASML的極紫外光刻(EUV)技術(shù)。
在芯片制造過(guò)程中,光刻是一種通過(guò)利用光學(xué)和化學(xué)反應(yīng)原理,將芯片電路圖轉(zhuǎn)移到晶圓表面的工藝技術(shù)。一般的光刻工藝需要經(jīng)過(guò)清洗烘干、旋涂光刻膠、對(duì)準(zhǔn)曝光和刻蝕等數(shù)百道工序,占整個(gè)芯片制造環(huán)節(jié)的50%左右。
EUV技術(shù)則是一種采用波長(zhǎng)13.5nm的極紫外光作為光源的光刻技術(shù),對(duì)光照強(qiáng)度、能耗效率和精度等都有極高要求。
在2015年,市場(chǎng)上主流的光刻技術(shù)為波長(zhǎng)248nm的KrF光刻和波長(zhǎng)193nm的ArF光刻,均采用浸沒(méi)式DUV光刻機(jī),而ASML的EUV光刻機(jī)也才剛進(jìn)入商用階段不久。
據(jù)了解,與當(dāng)時(shí)的10nm工藝芯片相比,IBM的7nm芯片面積縮小將近一半,可容納超200億個(gè)晶體管,效能也提升了50%。
在Huiming Bu看來(lái),EUV不僅是推進(jìn)芯片實(shí)現(xiàn)7nm節(jié)點(diǎn),并超5nm制程不斷發(fā)展的的關(guān)鍵技術(shù)。
Huiming Bu談到,回望2014年到2015年,整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)EUV技術(shù)的實(shí)際可行性都存在著很大疑問(wèn),但現(xiàn)在EUV技術(shù)已成為推動(dòng)芯片先進(jìn)制程發(fā)展的主流技術(shù)?!爱?dāng)IBM基于EUV技術(shù)交付第一款7nm芯片時(shí),它幫助我們建立了行業(yè)使用EUV制造的動(dòng)力和信心?!彼f(shuō)。
但I(xiàn)BM的野心不止于7nm,而是要超越7nm。
二、摩爾定律發(fā)展的“最后一步”:納米片晶體管
在IBM看來(lái),納米片晶體管(Nanometers transistor)將是實(shí)現(xiàn)超越FinFET(鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的重要基礎(chǔ)元素,亦是FinFET架構(gòu)的替代品,有望實(shí)現(xiàn)芯片制程從7nm到5nm、3nm節(jié)點(diǎn)的過(guò)渡。也有不少行業(yè)人士認(rèn)為,納米片晶體管很可能是摩爾定律發(fā)展的最后一步。
為此,IBM研究人員研發(fā)了首批碳納米晶體管。
何為納米片晶體管?簡(jiǎn)單地說(shuō),納米片場(chǎng)效應(yīng)晶體管能夠使電流流經(jīng)多疊層硅片,這些硅片完全被晶體管柵極所環(huán)繞。該設(shè)計(jì)大大減少了關(guān)閉狀態(tài)下可能泄漏的電流量,讓開(kāi)關(guān)在打開(kāi)時(shí)可使用更多電流來(lái)驅(qū)動(dòng)器件。
“三年前,業(yè)界對(duì)FinFET以外的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)提出疑問(wèn);三年后,整個(gè)行業(yè)都在支持納米片晶體管技術(shù),認(rèn)為它將是繼FinFET后的下一代半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)?!盚uiming Bu說(shuō)。
其中,三星就打算在研發(fā)3nm制程節(jié)點(diǎn)時(shí),引入納米片晶體管技術(shù)。
三、布線的創(chuàng)新點(diǎn):擴(kuò)大對(duì)銅線的使用
除了對(duì)芯片架構(gòu)的創(chuàng)新應(yīng)用外,如何在芯片設(shè)計(jì)階段對(duì)布線進(jìn)行重新設(shè)計(jì),也是IBM研究人員研發(fā)的方向之一。
經(jīng)過(guò)“7nm and Beyond”項(xiàng)目研究,IBM研究人員對(duì)如何在這些晶體管和開(kāi)關(guān)上進(jìn)行布線有了一定的見(jiàn)解。
“我們的創(chuàng)新之一就是盡可能地增加對(duì)銅線的使用?!盜BM研究員Daniel Edelstein談到,其中最困難的部分在于對(duì)極其微小的溝槽進(jìn)行圖案化,并用銅進(jìn)行填充,使其沒(méi)有缺陷。
實(shí)際上,現(xiàn)階段銅的使用在晶體管布線中仍存在挑戰(zhàn),但Edelstein認(rèn)為,在未來(lái)短時(shí)間內(nèi),行業(yè)將不會(huì)從銅遷移到其他更特殊的材料?!耙?yàn)榫湍壳暗纳a(chǎn)而言,銅的使用肯定還沒(méi)有達(dá)到極限?!彼f(shuō)。
四、AI推動(dòng)異構(gòu)集成發(fā)展,新興存儲(chǔ)器取得突破
對(duì)IBM來(lái)說(shuō),芯片尺寸、架構(gòu)和材料驅(qū)動(dòng)了“7nm and Beyond”項(xiàng)目的許多創(chuàng)新發(fā)展,但Edelstein和Huiming Bu都注意到,人工智能(AI)也在未來(lái)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展中扮演著關(guān)鍵的角色。
“隨著AI、大腦啟發(fā)式計(jì)算和其他非數(shù)字計(jì)算的出現(xiàn),我們開(kāi)始在研究層面開(kāi)發(fā)其他設(shè)備,尤其是新興的存儲(chǔ)設(shè)備?!盓delstein談到,如相變存儲(chǔ)器(PCM)、憶阻器(Memristor),這些已被行業(yè)認(rèn)為是模擬計(jì)算設(shè)備。
IBM認(rèn)為,這些新存儲(chǔ)設(shè)備的出現(xiàn),讓人們重新思考傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之外的潛在應(yīng)用。
目前,IBM研究人員正在思考和開(kāi)發(fā)磁阻式隨機(jī)存取內(nèi)存(MRAM)的新應(yīng)用,而IBM從30年前MRAM首次面世以來(lái)就開(kāi)始投入研究。
“如今,MRAM終于取得一定的突破?!盓delstein說(shuō),它不僅可以實(shí)現(xiàn)制造,還可以滿足與靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)在系統(tǒng)緩存競(jìng)爭(zhēng)方面所需的各種要求。
2019年,半導(dǎo)體和顯示設(shè)備制造商應(yīng)用材料為客戶提供的相關(guān)解決方案,就直接證明了MRAM和其他非易失性存儲(chǔ)器(包括RRAM和PCM)能夠直接嵌入處理器中。
“將各種組件集成到統(tǒng)一計(jì)算系統(tǒng)的需求,正開(kāi)始推動(dòng)一個(gè)異構(gòu)集成的全新世界?!痹贖uiming Bu看來(lái),構(gòu)建異構(gòu)架構(gòu)系統(tǒng)不僅將成為未來(lái)計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵,亦是受AI需求驅(qū)動(dòng)下一種新的行業(yè)創(chuàng)新策略。
結(jié)語(yǔ):IBM為追求高效計(jì)算性能攻克先進(jìn)制程技術(shù)
作為全球重要的信息技術(shù)公司,IBM“7nm and Beyond”項(xiàng)目對(duì)新設(shè)備、新材料和新計(jì)算架構(gòu)的探索,是它在不斷追求實(shí)現(xiàn)更高效計(jì)算性能過(guò)程中,所邁出的重要一步。
隨著如今芯片制程技術(shù)發(fā)展到5nm,并不斷往更精細(xì)、更先進(jìn)的制程推進(jìn),我們期待IBM在未來(lái)能夠?yàn)榘雽?dǎo)體行業(yè)帶來(lái)更多的創(chuàng)新思路和驚喜。