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揭秘IBM的30億美元“超越摩爾定律”計劃

2020-08-03 09:06 芯東西

導讀:雖然摩爾定律已無法很好地指導芯片技術(shù)的發(fā)展,但在計算領域,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研究人員針對其“7nm and Beyond”項目在芯片技術(shù)方面的創(chuàng)新,向業(yè)界分享了他們的觀點。架構(gòu)方面,IBM認為納米片晶體管超越FinFET的重要技術(shù)。同時,人工智能技術(shù)發(fā)展下的異構(gòu)架構(gòu)系統(tǒng)將成為未來計算發(fā)展的關(guān)鍵。

早在2014年,隨著“摩爾定律將死”的觀點在芯片行業(yè)四起,雄心勃勃的IBM耗資30億美元,啟動了一個名為“7nm and Beyond”的項目,期望通過為期5年的研究,看看在芯片尺寸不斷縮小的物理效應作用下,未來的計算技術(shù)將如何發(fā)展。

“在實現(xiàn)設備擴展和性能差異化的過程中,都無法停止對新設備架構(gòu)和新材料的探索?!盜BM高級邏輯和存儲技術(shù)研究、半導體和AI硬件部門主管Huiming Bu談到,雖然摩爾定律已無法很好地指導芯片技術(shù)的發(fā)展,但在計算領域,創(chuàng)新仍是發(fā)展的必經(jīng)之路。其中,“7nm and Beyond”項目就能夠滿足計算領域不斷增長的創(chuàng)新需求。

一、芯片邁向7nm的關(guān)鍵:EUV光刻技術(shù)

2015年,在整個芯片行業(yè)都處于14nm向10nm制程工藝轉(zhuǎn)型的時期,IBM宣布了全球首款7nm測試芯片,由格羅方德、三星和紐約州立大學理工學院納米工程合作研發(fā)。

當時,他們首次在晶體管中加入了一種名為“硅鍺”(簡稱SiGe)的材料,以替代原有的純硅,同時還采用了荷蘭光刻機巨頭ASML的極紫外光刻(EUV)技術(shù)。

在芯片制造過程中,光刻是一種通過利用光學和化學反應原理,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)過清洗烘干、旋涂光刻膠、對準曝光和刻蝕等數(shù)百道工序,占整個芯片制造環(huán)節(jié)的50%左右。

EUV技術(shù)則是一種采用波長13.5nm的極紫外光作為光源的光刻技術(shù),對光照強度、能耗效率和精度等都有極高要求。

在2015年,市場上主流的光刻技術(shù)為波長248nm的KrF光刻和波長193nm的ArF光刻,均采用浸沒式DUV光刻機,而ASML的EUV光刻機也才剛進入商用階段不久。

據(jù)了解,與當時的10nm工藝芯片相比,IBM的7nm芯片面積縮小將近一半,可容納超200億個晶體管,效能也提升了50%。

在Huiming Bu看來,EUV不僅是推進芯片實現(xiàn)7nm節(jié)點,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,整個半導體行業(yè)對EUV技術(shù)的實際可行性都存在著很大疑問,但現(xiàn)在EUV技術(shù)已成為推動芯片先進制程發(fā)展的主流技術(shù)。“當IBM基于EUV技術(shù)交付第一款7nm芯片時,它幫助我們建立了行業(yè)使用EUV制造的動力和信心?!彼f。

但IBM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,納米片晶體管(Nanometers transistor)將是實現(xiàn)超越FinFET(鰭式場效應晶體管)的重要基礎元素,亦是FinFET架構(gòu)的替代品,有望實現(xiàn)芯片制程從7nm到5nm、3nm節(jié)點的過渡。也有不少行業(yè)人士認為,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?簡單地說,納米片場效應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。該設計大大減少了關(guān)閉狀態(tài)下可能泄漏的電流量,讓開關(guān)在打開時可使用更多電流來驅(qū)動器件。

“三年前,業(yè)界對FinFET以外的半導體結(jié)構(gòu)提出疑問;三年后,整個行業(yè)都在支持納米片晶體管技術(shù),認為它將是繼FinFET后的下一代半導體結(jié)構(gòu)。”Huiming Bu說。

其中,三星就打算在研發(fā)3nm制程節(jié)點時,引入納米片晶體管技術(shù)。

三、布線的創(chuàng)新點:擴大對銅線的使用

除了對芯片架構(gòu)的創(chuàng)新應用外,如何在芯片設計階段對布線進行重新設計,也是IBM研究人員研發(fā)的方向之一。

經(jīng)過“7nm and Beyond”項目研究,IBM研究人員對如何在這些晶體管和開關(guān)上進行布線有了一定的見解。

“我們的創(chuàng)新之一就是盡可能地增加對銅線的使用?!盜BM研究員Daniel Edelstein談到,其中最困難的部分在于對極其微小的溝槽進行圖案化,并用銅進行填充,使其沒有缺陷。

實際上,現(xiàn)階段銅的使用在晶體管布線中仍存在挑戰(zhàn),但Edelstein認為,在未來短時間內(nèi),行業(yè)將不會從銅遷移到其他更特殊的材料?!耙驗榫湍壳暗纳a(chǎn)而言,銅的使用肯定還沒有達到極限?!彼f。

四、AI推動異構(gòu)集成發(fā)展,新興存儲器取得突破

對IBM來說,芯片尺寸、架構(gòu)和材料驅(qū)動了“7nm and Beyond”項目的許多創(chuàng)新發(fā)展,但Edelstein和Huiming Bu都注意到,人工智能(AI)也在未來計算技術(shù)的發(fā)展中扮演著關(guān)鍵的角色。

“隨著AI、大腦啟發(fā)式計算和其他非數(shù)字計算的出現(xiàn),我們開始在研究層面開發(fā)其他設備,尤其是新興的存儲設備?!盓delstein談到,如相變存儲器(PCM)、憶阻器(Memristor),這些已被行業(yè)認為是模擬計算設備。

IBM認為,這些新存儲設備的出現(xiàn),讓人們重新思考傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲之外的潛在應用。

目前,IBM研究人員正在思考和開發(fā)磁阻式隨機存取內(nèi)存(MRAM)的新應用,而IBM從30年前MRAM首次面世以來就開始投入研究。

“如今,MRAM終于取得一定的突破?!盓delstein說,它不僅可以實現(xiàn)制造,還可以滿足與靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)在系統(tǒng)緩存競爭方面所需的各種要求。

2019年,半導體和顯示設備制造商應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)一計算系統(tǒng)的需求,正開始推動一個異構(gòu)集成的全新世界?!痹贖uiming Bu看來,構(gòu)建異構(gòu)架構(gòu)系統(tǒng)不僅將成為未來計算發(fā)展的關(guān)鍵,亦是受AI需求驅(qū)動下一種新的行業(yè)創(chuàng)新策略。

結(jié)語:IBM為追求高效計算性能攻克先進制程技術(shù)

作為全球重要的信息技術(shù)公司,IBM“7nm and Beyond”項目對新設備、新材料和新計算架構(gòu)的探索,是它在不斷追求實現(xiàn)更高效計算性能過程中,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、更先進的制程推進,我們期待IBM在未來能夠為半導體行業(yè)帶來更多的創(chuàng)新思路和驚喜。