IBM展示领先芯片技术，3D晶体管碳纳米管来袭

　　IBM在Common Platform技术论坛上展示了蓝色巨人对未来晶圆的发展预测，Common Platform是IBM、Globalfoundries和Samsung的联盟，旨在研究3D晶体管FinFET的芯片。在2月份举行的这次Common Platform 2013技术论坛上，IBM除了展示FinFET这种3D晶体管技术外，还展示了诸如硅光子晶体管，碳纳米管等前沿技术。

　　

　　Common Platform 2013技术论坛

　　在集成电路的晶体管数目的规律上，业界有一个著名的摩尔定律。摩尔定律指出，当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。该定律是由英特尔创始人之一摩尔提出，这些年来一直与芯片的发展相符。

　　

　　硅晶元

　　目前硅晶体管的制程工艺已经达到了32nm、20nm的水平，而且随着现在芯片领域越来越激烈的竞争，晶体管的尺寸也越来越小。例如比较知名的晶圆代工厂GlobalFoundries以及台积电、台联电都加进了下一代14nm制程工艺晶圆的研发。然而随着集成电路上的晶体管密度越来越大，其在密度上的增加就越来越困难。摩尔定律必将将晶体管的大小带到了一个物理上的极限。

　　

　　英特尔晶体管研制计划

　　有报道指出，现阶段普遍应用的硅晶体管在尺寸上有一个10nm的物理极限。目前硅晶体管制程已经推进到22nm，14nm也近在咫尺，然而根据英特尔2011年的一份技术资料，其10nm制程的CPU要等到2015年。而且10nm也接近了硅晶体管的物理极限。相比之下，要想摩尔定律继续有效，碳纳米材料更有希望提升晶体管密度来拯救摩尔定律。

　　IBM半导体研究部门负责人Gary Patton表示，45nm制程工艺的芯片已经开始在稳步的推出市场。对于目前的硅晶体管的10nm物理极限，Patton认为极限的EUV光刻技术可能让晶体管突破10nm这一大关。

　　EUV光刻技术，在芯片制作的过程中，晶体管实际是一个个非常小的电路回路。而将这些电路回路刻在芯片的就是采用光刻技术，晶体管的大小很大一定程度要取决于光刻技术，就比如说，你用很细的笔才能写出很细小的字，而用毛笔是绝对办不到的。而目前最先进的EUV光刻技术理论上能印刷出最小7nm的电子回路。

　　

　　IBM展示光刻技术

　　芯片制造者目前能将这些非常复杂的双缝衍射的光刻技术处理过程限制在20nm的范围中，不过IBM想出解决方法，将制程工艺提高到10nm。IBM的Gary Patton列出了几种技术，来缓解这些双缝干涉的问题。

　　

　　IBM解决光刻技术难题方案

　　Gary Patton提到，EUV光刻技术，最大的挑战在于EUV光刻技术采用的射线波长只有13nm，这种波很容易被物质吸收。

　　尽管如此，Gary Patton坚信CMOS支持工艺仍然会继续向前发展，但是需要一些新的技术，比如碳纳米晶体管和硅光子晶体管等。

　　

　　FinFET的发明人胡正明在中国演讲

　　FinFET晶体管又称3D晶体管，而3D晶体管之后有一个技术热点则是碳纳米管晶体管。　FinFET的发明人为美籍华人胡正明（Chenming Hu），早在2011年就开始了对FinFET的研究。胡正明于1947年生于北京，现任美国加州大学伯克利分校杰出讲座教授、北京大学计算机科学技术系兼职教授、中国科学院微电子所荣誉教授、***交通大学（新竹）微电子器件荣誉教授。

　　传统标准的晶体管—场效晶体管 （Field-effecttransistor；FET），其控制电流通过的闸门，只能在闸门的一侧控制电路的接通与断开，属于平面的架构。而FinFET则是一种3D结构，全名为FinField-effecttransistor，鳍式场效晶体管。通过类似鱼鳍的叉状3D架构的闸门，来控制电路的接通与断开。

　　

　　FinFET

　　通过这种3D晶体管闸门的设计可以大幅改善电路控制并减少漏电流（leakage），也可以大幅缩短晶体管的闸长，将晶体管制程工艺提高到更小的尺寸，以达到摩尔定律的预测。英特尔马宏升谈到摩尔定律，虽然按照摩尔定律晶体管的性能的不断提升给了芯片制造商不容小觑的压力，但是压力就是动力，也是一个机遇。

　　

　　Commom Platfrom

　　在2012年3月份，IBM、三星以及GlobalFoundries成立了名为Commom Platfrom的联盟，共同对FinFET晶体管也就是3D晶体管进行研究，交换各自的研究成果，旨在更快的推出14nm的3D晶体管。

　　

　　Commom Platfrom 2012技术论坛

　　3月14日，在旧金山举办的Commom Platfrom 2012技术论坛上，来自三星的发言人Anna Hunter表示，Commom Platfrom将会在2014至2015年之间推出3D晶体管。

　　

　　而在Commom Platfrom 2013技术论坛上，IBM不仅展示了3D晶体管技术，而且同时展示了碳纳米管技术以及硅光子技术。

　　IBM此前就传出消息，在碳纳米晶体管上取得了重大技术突破，在单个芯片上集成了上万个碳纳米晶体管，虽然比起目前硅晶体管密度还有一定差距，但这却是碳纳米晶体管取代硅晶体管的重要一步。IBM的碳纳米晶体管技术已经达到9nm的制程工艺水平。

　　

　　IBM展示碳纳米晶圆

　　根据国外媒体报道，IBM的科学家们已经研制出一种新的芯片，这种芯片是将碳纳米管覆盖层和硅晶片结合起来，在单个芯片上成功放置了上万个晶体管，虽然相比于目前硅晶体管芯片动辄上亿的数目不能相提并论，例如IBM Power7的晶体管数目就在12亿，但是未来碳纳米管可延伸的空间很大。

　　

　　碳纳米晶体管示意图

　　IBM另外还展示了一种使用光代替电子信号来进行数据传输的技术，该技术可能很快会让大文件传输的限制变成历史，测试中每个通道的数据传输率能够达到25Gbps。

　　IBM声称，这种光数据传输技术，用光脉冲替代了电子信号，名为“硅纳米光子学”，可在单一一块通过亚100nm半导体技术制成的硅芯片上创建出一个让不同光学部件和电路协作的环境。

　　

　　硅纳米光子工作原理示意图

　　硅纳米光子学旨在让服务器、大型数据中心和超级计算机中电脑芯片传输大量数据的速度加快。通过对光脉冲而非电子信号的使用，该研究领域背后的理念是为了减缓计算机中继点之间的拥堵，并削减传统互联方式的费用。

　　

　　硅纳米光子学

　　IBM表示，测试中该传输系统的速率超乎寻常，能够达到每通道25Gbps的数据传输速率。另外，该技术还能够应对多个并行光学数据流，并利用紧凑型芯片内波分复用设备把它们扭曲成单股光纤。这种在高速率下多路传输大量数据流的理念预计会很快投入商业应用。

　　【全文总结】：随着晶体管尺寸和密度越来越接近物理极限，拯救摩尔定律则需要新的技术，对于下一代的3D晶体管技术，谁能占得先机？有消息称，77%的FinFET技术专利是由GlobalFoundries、IBM、三星等联盟共同拥有IBM、三星、GlobalFoundries的联盟能否在3D晶体管技术中抢占市场先机，让我们拭目以待吧。