IBM和三星公布新型半导体芯片设计：这种设计可以延续摩尔定律？

近日，IBM和三星公布了一种新的半导体芯片设计，自称这种设计可以延续摩尔定律。这一突破性的架构将允许垂直电流流动的晶体管嵌入到芯片上，从而产生更紧凑的设备，并为智能手机长周期运行等铺平了道路。据悉，新的垂直传输场效应晶体管(VTFET)设计旨在取代当前用于当今一些最先进芯片的FinFET技术，从本质上讲，新设计将垂直堆叠晶体管，允许电流在晶体管堆叠中上下流动，而不是目前大多数芯片上使用的左右水平布局。

根据IBM的说法，这种新的垂直结构允许在空间中装入更多的晶体管，同时还可以影响它们之间的接触点，以提高电流并节约能源。该公司表示，该设计可能会使性能翻倍，或者减少85%的能源消耗。

IBM已经生产了带有这种新的VTFET架构的测试芯片，并设想它在许多领域扮演着改变游戏规则的角色。随着物联网的持续发展，这些芯片可以让海洋浮标和自动驾驶汽车等设备以更少的能源运行，并可能对加密货币挖矿等能源密集型计算过程产生类似的影响，降低其碳足迹。

此外，根据IBM的说法，它还可以让宇宙飞船更高效，甚至让智能手机电池在不充电的情况下使用一周而不是几天。IBM研究院混合云和系统副总裁Mukesh Khare博士说，“今天的技术声明是关于挑战传统，重新思考我们如何继续推进社会，并提供新的创新，以改善生活、业务和减少我们的环境影响。”“考虑到该行业目前在多个方面面临的限制，IBM和三星正在展示我们在半导体设计方面的联合创新的承诺，并共同追求我们所说的‘硬技术’。”他补充说。

两家公司于12 月15日宣布，与缩放鳍式场效应晶体管 (finFET) 相比，新的半导体设计有可能将能源使用量减少85%。三星电子还公布了一项生产 IBM 5纳米芯片的计划，用于服务器。

VTFET是一种在芯片表面垂直堆叠晶体管的技术。从历史上看，晶体管被制造成平放在半导体表面上，电流横向流过它们。借助 VTFET，IBM 和三星已经成功地实现了垂直于芯片表面构建的晶体管，并具有垂直或上下电流。

VTFET 工艺解决了许多性能障碍和限制，以扩展摩尔定律，因为芯片设计人员试图将更多晶体管装入固定空间。它还影响晶体管的接触点，从而以更少的能量浪费获得更大的电流。总体而言，与按比例缩放的 finFET 替代方案相比，新设计旨在将性能提高两倍或将能源使用减少85%。

IBM和三星电子在美国纽约州的奥尔巴尼纳米技术研究中心联合开发了 VTFET 技术。

同一天，IBM还宣布三星将生产基于节点的 5 纳米IBM芯片。该芯片有望使用在IBM自己的服务器平台。三星在2018年宣布将制造 IBM 的7纳米芯片，该芯片在今年早些时候用于 IBM Power10 服务器系列。IBM今年 4 月亮相的人工智能(AI)处理器Telum也是三星基于IBM的设计制造的。

据国外媒体报道，在2021 IEEE国际电子器件会议(IEDM)上 蓝色巨人IBM与韩国三星共同发布「垂直传输场效应晶体管」(VTFET) 芯片设计。将晶体管以垂直方式堆叠，并让电流也垂直流通，使晶体管数量密度再次提高，更大幅提高电源使用效率，并突破1 纳米制程的瓶颈。

相较传统将晶体管以水平放置，垂直传输场效应晶体管将能增加晶体管数量堆叠密度，并让运算速度提升两倍，同时借电流垂直流通，使功耗在相同性能发挥下降低85%。

IBM 和三星指出，此技术能在未来手机一次充电续航力就达一星期，可使某些耗能密集型任务如加密运算更省电，减少对环境的影响。不过IBM 与三星尚未透露何时开始将垂直传输场效应晶体管设计应用于产品，但是市场人士预估，短时间内会有进一步消息。

相对IBM 与三星技术成果发表，晶圆代工龙头台积电也在5 月宣布，与台湾大学、麻省理工学院共同研究，以铋金属特性突破1纳米制程极限，下探至1纳米以下。英特尔日前也公布制程发展布局，除了现有纳米级制程节点设计，接下来也会开始布局埃米等级制程，预计最快2024 年进入20A 制程节点。

VTFET 为延续摩尔定律找到了一条途径，不知这种工艺何时能够落地，制成芯片落到我们的手中。

早在 1965 年，计算机科学家戈登 · 摩尔(Gordon Moore)首先提出假设：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过 18 个月便会增加一倍，同时计算机的运行速度和存储容量也翻一番。这就是半导体领域著名的摩尔定律。当前，可以塞进单个芯片的晶体管数量几乎达到了极限。

但与此同时，计算系统的前进道路并没有放缓。动态 AI 系统已准备好为人们生活的方方面面(从道路安全到药物发现和先进制造)提供动力，这就需要未来出现性能更强大的芯片。因此，为了延续摩尔假设的速度和计算能力的进步，我们需要制造具有多达 1000 亿个晶体管的芯片。

IBM 研究院与三星合作，在半导体设计方面取得了突破性进展，声称有助于摩尔定律在未来几年保持活力，并重塑半导体行业。他们提出了一种在芯片上垂直堆叠晶体管的新方法，称为垂直传输纳米片场效应晶体管(Vertical-Transport Nanosheet Field Effect Transistor, VTFET)。当今，主流的芯片架构采用横向传输场效应晶体管(FET)，例如鳍式场效应晶体管(FinFET)，因硅体类似鱼背鳍而得名。finFET 在设计上沿着晶圆表面对晶体管分层，电流沿水平方向流动。与这类设计不同的是，VTFET 是在垂直于硅晶圆的方向上将晶体管分层，并允许电流在堆叠晶体管中上下流动。

虽然我们无从知晓 VTFET 设计工艺何时能够制成芯片为我们所用，但是IBM和三星已经提出了一些大胆的想法：

手机充一次电可以用一周;

数据加密等能源密集型流程需要的能源会大大减少，碳足迹也会更小;

用于更强大的物联网设备，使它们能够在更多样化的环境中运行，如海洋浮标、自动驾驶汽车和航天器。

除IBM和三星，英特尔也在今年夏天公布了其即将推出的 RibbonFET(英特尔首款全环栅晶体管)设计，这是其在FinFET技术上获得的专利。这项技术将成为英特尔 20A 代半导体产品的一部分，而20A代芯片则计划于 2024 年开始量产。

半导体的垂直设计已经发展许久，并从现在通用的FinFET技术中获得了一定的灵感。当平面空间已经更难让晶体管进行堆叠时，未来唯一真正的方向或许就是向上堆叠。