近日,，IBM和三星公布了一種新的半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)，自稱這種設(shè)計(jì)可以延續(xù)摩爾定律,。這一突破性的架構(gòu)將允許垂直電流流動的晶體管嵌入到芯片上，從而產(chǎn)生更緊湊的設(shè)備,，并為智能手機(jī)長周期運(yùn)行等鋪平了道路,。據(jù)悉，新的垂直傳輸場效應(yīng)晶體管（VTFET）設(shè)計(jì)旨在取代當(dāng)前用于當(dāng)今一些最先進(jìn)芯片的FinFET技術(shù),，從本質(zhì)上講,，新設(shè)計(jì)將垂直堆疊晶體管，允許電流在晶體管堆疊中上下流動,，而不是目前大多數(shù)芯片上使用的左右水平布局,。

　　根據(jù)IBM的說法，這種新的垂直結(jié)構(gòu)允許在空間中裝入更多的晶體管,，同時還可以影響它們之間的接觸點(diǎn),，以提高電流并節(jié)約能源。該公司表示,，該設(shè)計(jì)可能會使性能翻倍,，或者減少85%的能源消耗。

　　IBM已經(jīng)生產(chǎn)了帶有這種新的VTFET架構(gòu)的測試芯片,，并設(shè)想它在許多領(lǐng)域扮演著改變游戲規(guī)則的角色,。隨著物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，這些芯片可以讓海洋浮標(biāo)和自動駕駛汽車等設(shè)備以更少的能源運(yùn)行,，并可能對加密貨幣挖礦等能源密集型計(jì)算過程產(chǎn)生類似的影響,，降低其碳足跡。

　　此外,，根據(jù)IBM的說法,，它還可以讓宇宙飛船更高效，甚至讓智能手機(jī)電池在不充電的情況下使用一周而不是幾天,。IBM研究院混合云和系統(tǒng)副總裁Mukesh Khare博士說,，“今天的技術(shù)聲明是關(guān)于挑戰(zhàn)傳統(tǒng)，重新思考我們?nèi)绾卫^續(xù)推進(jìn)社會,，并提供新的創(chuàng)新,，以改善生活、業(yè)務(wù)和減少我們的環(huán)境影響,?！薄翱紤]到該行業(yè)目前在多個方面面臨的限制，IBM和三星正在展示我們在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)方面的聯(lián)合創(chuàng)新的承諾,，并共同追求我們所說的‘硬技術(shù)’,。”他補(bǔ)充說,。

　　兩家公司于12 月15日宣布,，與縮放鰭式場效應(yīng)晶體管 （finFET） 相比,，新的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)有可能將能源使用量減少85%。三星電子還公布了一項(xiàng)生產(chǎn) IBM 5納米芯片的計(jì)劃,，用于服務(wù)器,。

　　VTFET是一種在芯片表面垂直堆疊晶體管的技術(shù)。從歷史上看,，晶體管被制造成平放在半導(dǎo)體表面上,，電流橫向流過它們。借助 VTFET,，IBM 和三星已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了垂直于芯片表面構(gòu)建的晶體管,，并具有垂直或上下電流。

　　VTFET 工藝解決了許多性能障礙和限制,，以擴(kuò)展摩爾定律,，因?yàn)樾酒O(shè)計(jì)人員試圖將更多晶體管裝入固定空間。它還影響晶體管的接觸點(diǎn),，從而以更少的能量浪費(fèi)獲得更大的電流,。總體而言,，與按比例縮放的 finFET 替代方案相比,，新設(shè)計(jì)旨在將性能提高兩倍或?qū)⒛茉词褂脺p少85%。

　　IBM和三星電子在美國紐約州的奧爾巴尼納米技術(shù)研究中心聯(lián)合開發(fā)了 VTFET 技術(shù),。

　　同一天,，IBM還宣布三星將生產(chǎn)基于節(jié)點(diǎn)的 5 納米IBM芯片。該芯片有望使用在IBM自己的服務(wù)器平臺,。三星在2018年宣布將制造 IBM 的7納米芯片,，該芯片在今年早些時候用于 IBM Power10 服務(wù)器系列。IBM今年 4 月亮相的人工智能（AI）處理器Telum也是三星基于IBM的設(shè)計(jì)制造的,。

　　據(jù)國外媒體報(bào)道，在2021 IEEE國際電子器件會議（IEDM）上 藍(lán)色巨人IBM與韓國三星共同發(fā)布「垂直傳輸場效應(yīng)晶體管」（VTFET） 芯片設(shè)計(jì),。將晶體管以垂直方式堆疊,，并讓電流也垂直流通，使晶體管數(shù)量密度再次提高,，更大幅提高電源使用效率,，并突破1 納米制程的瓶頸。

　　相較傳統(tǒng)將晶體管以水平放置,，垂直傳輸場效應(yīng)晶體管將能增加晶體管數(shù)量堆疊密度,，并讓運(yùn)算速度提升兩倍，同時借電流垂直流通,，使功耗在相同性能發(fā)揮下降低85%,。

　　IBM 和三星指出,，此技術(shù)能在未來手機(jī)一次充電續(xù)航力就達(dá)一星期，可使某些耗能密集型任務(wù)如加密運(yùn)算更省電,，減少對環(huán)境的影響,。不過IBM 與三星尚未透露何時開始將垂直傳輸場效應(yīng)晶體管設(shè)計(jì)應(yīng)用于產(chǎn)品，但是市場人士預(yù)估,，短時間內(nèi)會有進(jìn)一步消息,。

　　相對IBM 與三星技術(shù)成果發(fā)表，晶圓代工龍頭臺積電也在5 月宣布,，與臺灣大學(xué),、麻省理工學(xué)院共同研究，以鉍金屬特性突破1納米制程極限,，下探至1納米以下,。英特爾日前也公布制程發(fā)展布局，除了現(xiàn)有納米級制程節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),，接下來也會開始布局埃米等級制程,，預(yù)計(jì)最快2024 年進(jìn)入20A 制程節(jié)點(diǎn)。

　　VTFET 為延續(xù)摩爾定律找到了一條途徑,，不知這種工藝何時能夠落地,，制成芯片落到我們的手中。

　　早在 1965 年,，計(jì)算機(jī)科學(xué)家戈登 · 摩爾（Gordon Moore）首先提出假設(shè)：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過 18 個月便會增加一倍,，同時計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和存儲容量也翻一番。這就是半導(dǎo)體領(lǐng)域著名的摩爾定律,。當(dāng)前,，可以塞進(jìn)單個芯片的晶體管數(shù)量幾乎達(dá)到了極限。

　　但與此同時,，計(jì)算系統(tǒng)的前進(jìn)道路并沒有放緩,。動態(tài) AI 系統(tǒng)已準(zhǔn)備好為人們生活的方方面面（從道路安全到藥物發(fā)現(xiàn)和先進(jìn)制造）提供動力，這就需要未來出現(xiàn)性能更強(qiáng)大的芯片,。因此,，為了延續(xù)摩爾假設(shè)的速度和計(jì)算能力的進(jìn)步，我們需要制造具有多達(dá) 1000 億個晶體管的芯片,。

　　IBM 研究院與三星合作,，在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)方面取得了突破性進(jìn)展，聲稱有助于摩爾定律在未來幾年保持活力,，并重塑半導(dǎo)體行業(yè),。他們提出了一種在芯片上垂直堆疊晶體管的新方法，稱為垂直傳輸納米片場效應(yīng)晶體管（Vertical-Transport Nanosheet Field Effect Transistor, VTFET）,。當(dāng)今,，主流的芯片架構(gòu)采用橫向傳輸場效應(yīng)晶體管（FET）,，例如鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET），因硅體類似魚背鰭而得名,。finFET 在設(shè)計(jì)上沿著晶圓表面對晶體管分層,，電流沿水平方向流動。與這類設(shè)計(jì)不同的是,，VTFET 是在垂直于硅晶圓的方向上將晶體管分層,，并允許電流在堆疊晶體管中上下流動。

　　雖然我們無從知曉 VTFET 設(shè)計(jì)工藝何時能夠制成芯片為我們所用,，但是IBM和三星已經(jīng)提出了一些大膽的想法：

　　手機(jī)充一次電可以用一周,；

　　數(shù)據(jù)加密等能源密集型流程需要的能源會大大減少，碳足跡也會更??；

　　用于更強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，使它們能夠在更多樣化的環(huán)境中運(yùn)行,，如海洋浮標(biāo),、自動駕駛汽車和航天器。

　　除IBM和三星,，英特爾也在今年夏天公布了其即將推出的 RibbonFET（英特爾首款全環(huán)柵晶體管）設(shè)計(jì),，這是其在FinFET技術(shù)上獲得的專利。這項(xiàng)技術(shù)將成為英特爾 20A 代半導(dǎo)體產(chǎn)品的一部分,，而20A代芯片則計(jì)劃于 2024 年開始量產(chǎn),。

　　半導(dǎo)體的垂直設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展許久，并從現(xiàn)在通用的FinFET技術(shù)中獲得了一定的靈感,。當(dāng)平面空間已經(jīng)更難讓晶體管進(jìn)行堆疊時,，未來唯一真正的方向或許就是向上堆疊。