一項設計上的突破將使得工程師能夠在單個芯片上安裝 300 億個晶體管，而芯片尺寸僅為指甲大小。
IBM近日宣布，該公司一個研究團隊在晶體管的制造上取得了巨大的突破，有望挽救越來越瀕臨極限的摩爾定律，使得電子元件朝著更小、更經濟的方向發展。
然而，該突破與最近大熱的碳納米管無關，而是基于一種更基礎的理論方法和新制造工藝。這項突破可能會在未來幾年內滿足日益增長的市場需求，也有可能為自動駕駛、人工智能和 5G 網絡的實現鋪路。
昨天，IBM 在京都舉行的 VLSI Technology and Circuits 研討會上宣布，IBM 與其研究聯盟合作伙伴 Global Foundries 以及三星公司為新型的芯片制造了 5 納米（nm）大小的晶體管。
圖丨IBM在 SUNY Polytechnic Institute 的科學家正在準備測試5納米硅晶片晶體管
為了實現這個壯舉，就必須在現有的芯片內部構架上進行改變。研究團隊將硅納米層進行水平堆疊，而非傳統的硅半導體行業的垂直堆疊構架，這使得5nm晶體管的工藝有了實現可能，而這一工藝將有可能引爆未來芯片性能的進一步高速發展。
實際上，從工藝架構本身來說，這種從垂直架構到水平層疊的轉換相當于在硅晶體管上打開了第四扇“門”，使得電信號能夠在芯片中通過不同的晶體管。而從尺寸上來說，這些晶體管的寬度不大于兩三根并排在一起的DNA分子鏈。
那到底能為我們的生活帶來怎樣的改變？根據 IBM 官方的說法，比較直觀的描述是，當我們在閱讀這篇文章時，假設正在使用的移動設備只剩下 10％ 的電量，但基于 5 納米制程技術的芯片將使得移動設備在需要充電之前仍然可以使用數小時，而不是幾分鐘。未來配備此類新型芯片的移動設備續航時間將比現在要延長數天。
數十年來，半導體產業對縮小電子元件的狂熱追求是有原因的。芯片上集成的電路越多，電子產品的速度越快、效率越高、成本越低。而著名的摩爾定律在 1965 年首次提出之時則認為，芯片上的晶體管數量每年翻一番，該預測在 1975 年被更改為每兩年。
盡管半導體行業集成技術的發展速度越來越達不到摩爾定理的預期，但不管怎么說，晶體管的尺寸還是在變得越來越小。
圖丨摩爾定律
其實，半導體的縮小并不是什么高技術活兒。上一個主要突破就發生在 2009 年，研究者們發明了一種叫做FinFET的晶體管設計方式，而其第一次大規模制造則開始于 2012 年——這給整個行業打了一劑強心針，為 22 納米這一尺寸上的處理器創造了可能。FinFET是晶體管行業的革命性突破——其關鍵在于，在三維結構而非二維平面上控制電流的傳遞。
IBM半導體研究小組副組長 Mukesh Khare 表示，“原則上說，FinFET的結構就是一個簡單的長方形，其中的三條邊上各有一個小門”。如果把晶體管想象成一個開關，不同的電壓就會控制這道門“開啟”或“關閉”。在三個不同方向上加上門能夠最大化這個開關的電流量，并最小化電流的漏出，所以增加了整體的效率。
但在五年后，這一技術也幾乎發展到了盡頭。對此，半導體制造公司 VLSL Research 首席執行官 Dan Hutcheson 表示，問題在于 FinFET 就像一條流淌的小溪。FinFET在目前常見的 10 納米處理器上正常工作，在 7 納米上應該也沒有問題。“但在5納米的尺度上，我們就需要一個新的結構了。”Hutcheson說。
圖丨IBM Research Alliance 在幾層硅晶片上的 5 納米晶體管
終于，在 FinFET 的垂直結構發展終結之后，IBM 宣布在與 Global Foundries 和三星的合作下開發出了水平排布的硅納米板，并以這種結構在晶體管上加了第四道門。你可以想象 FinFET 的結構調轉了過來，元件相互疊在了頂上。在尺度上來說，電信號在一個和 DNA 螺旋一樣大的開關上流動。
“這是一個巨大的進步”，Hutcheson說。“如果我們能把晶體管變得更小更密集，我就能在同等面積的芯片得到更快的處理速度。”也就是在一個指甲的芯片上，從 200 億個 7 納米晶體管飛躍到了 300 億個 5 納米晶體管。對此，IBM 預計，會在同樣功率上把處理效率提高 40%，或者在同樣效率上減少 70% 的功耗。
圖丨IBM 科學家 Nicolas Loubet 握著使用業界一流制程工藝生產的 5nm 硅晶體管芯片
雖然根據行業內的預估，基于新架構所開發的可商用處理器不會在2019年前投入市場。但不可否認的是，5 納米處理器工藝的成熟與否將決定未來自動駕駛和5G通訊等行業的商業化程度。
“整個社會的發展全靠它了！因為未來即將出現的人工智能、自動駕駛等技術都對計算能力提出了更高的要求，”Hutcheson說。“沒有新的處理器生產技術，人類文明將就此停滯。”
就拿自動駕駛技術來舉例，雖然我們現在已經可以實現自動駕駛汽車的上路行駛，但不得不說，其所依賴的智能芯片的價格仍然高達數萬美元，這對于準備大規模商業化的產品來說，顯然不太現實。而 5 納米制程工藝的出現將有希望將這一成本大幅降低。
再比如，IoT（物聯網）傳感器設備由于需要不間斷地收集實時的數據流，所以必須保持一直在線的狀態，而要做到這一點，也必須依靠高性能的處理器。
IBM半導體研究小組副組長 Mukesh Khare 對此有一個精辟的評價：“摩爾定律所衍生的超高經濟價值是毋庸置疑的，其關鍵之處就在于效率的提升和價值的創造是依賴于架構的創新，而非傳統的擴大規模的方式。”