5nm被攻破！IBM是如何做到的？硅的極限到底有沒有達到呢？答案是，沒有。

近日，IBM的一個研究小組詳細介紹了一項突破性的晶體管設計，該項設計能夠推動半導體工藝支撐的發展，使得摩爾定律向前更進一步，實現更加經濟的工藝迭代。

與之前很多研究提出的采用新材料來代替現有材料的方法不同，IBM提出的解決方法，是采用一種真正可行的，能夠在幾年內實現大規模量產的新工藝，而不是一種概念性的方法。

對于那些即將出現的技術，例如自動駕駛汽車、人工智能、5G等等新技術，這一工藝的進度能夠非常及時的應用于并推動這些技術的發展。

IBM的研究小組進行5nm結構的研究

5nm的突破在哪里

幾十年來，全球的半導體產業一直癡迷于晶體管的小型化。如何以更低的成本將更多的晶體管擠進芯片的同時，實現更高的速度和更低的功耗是半導體行業孜孜不倦的事情。英特爾聯合創始人Gordon Moore在1965年提出的著名的摩爾定律就認為芯片上晶體管的數量能夠每年翻一番。1975年之后，雖然摩爾定律經過了多次修訂，行業在芯片上增加晶體管數量的速度也逐漸放緩。但是不可否認，業界依然能夠找到縮小晶體管的方法。

為了實現這一目標就需要不斷需找新的方法。上一次提出新的方法是在2009年，推出的新的晶體管設計方法就是我們所熟知的FinFET。2012年，FinFET工藝的第一次量產為全球半導體行業的發展注入了一劑強心劑。在之后的數年之內推動了22nm工藝的出現。

可以說，FinFET是過去幾十年中，半導體行業在晶體管結構方面最重大的一次突破，也是非常具有革命性的一步。它的關鍵性的一項突破就是采用3D結構來設計晶體管，而不是過去數十年一直采用的2D平面設計。

IBM半導體研究方面的副總裁Mukesh Khare表示：“根本上說，FinFET結構就是一個三面有門設計的長方形。當這一結構運用到晶體管中的時候，施加不同的電壓，晶體管就會呈現不同的開關狀態。基于此種結構，晶體管能夠最大限度的保證開關的狀體，提高整體的效率。”

但是僅僅五年之后，FInFET所帶來的好處就近乎枯竭。“FinFET的問題在于，已經很難提升晶體管的性能了。”側重于半導體制造的VLSI Research的首席執行官Dan Hutcheson表示。

FInFET能夠支撐半導體工藝發展到10nm，也能夠應用到7nm，但是這已經是FinFET的極限了。“為了實現5nm的工藝，我們應當繼續推進新的方法的研究，我們需要新的、不同的結構。”Dan Hutcheson認為。

IBM已經與其合作伙伴——格羅方德、三星，在晶體管的結構研究方面進行了多年的研究，并已經實現了一定程度的薄型化設計。

IBM研究出的晶體管結構的掃描圖

Mukesh Khare表示:”可以將這種方法想象成FinFET工藝的另一種堆疊方式，在晶體管的頂部持續進行堆疊。”在這個結構中，電信號能夠在二至三個DNA寬度的開關中通過。

“這是一個很大的突破。”Dan Hutcheson表示。“如果能夠獲得更小體積的晶體管，就能夠在同一面積上部署更多的晶體管，也就意味著，在同一面積上能夠實現更高的計算能力。”

以現有的工藝計算，我們能夠在指甲蓋大小的芯片上以7nm工藝部署大約200億個晶體管，以5nm工藝能夠部署大約300億個晶體管。IBM最新推出的研究成果能夠實現大約40%的性能提升，或者是在保持相同性能的基礎上實現75%的功率降低。

恰逢其會的新工藝

該工藝出現的時機不可謂不好。

雖然以目前的進度來看，運用該工藝生產的處理器在2019年初幾乎不可能出現。但是粗略的估計，在未來出現的自動駕駛汽車和5G技術中應用這項工藝還是非常可能的。畢竟，5nm工藝的實現還是需要一個過程的。

“未來，我們的世界將會是一個充斥著人工智能、智能駕駛等全新技術的世界。這些技術都依賴于更高效的計算能力。這些技術都依賴這項工藝。”Dan Hutcheson表示。“沒有這一技術，這些改變將寸步難行。”

以自動駕駛為例。也許以今天的發展程度來說，計算能力已經足夠了，但是要想實現真正的智能駕駛，未來還是需要在汽車里面應用成千上萬的芯片，工藝的先進程度將會極大的限制汽車內芯片的數量。5nm工藝將會驅動這一進程的發展。物聯網領域也是如此。

更實際的應用是智能手機，現在的智能手機需要每天充一次電，而這一工藝的應用將會允許我們使用相同的電池，但是只需要兩到三天充電一次。此外，還有很多目前尚未發現的新應用。

“摩爾定律所產生的經濟價值是不容置疑的。這也是我們不對推動創新并不斷提出不同于傳統的全新方法的動力所在。正是因為如此，我們才研究出了全新的結構。”Mukesh Khare表示。

這些新技術的使用和普及還有很長的路要走。任何技術的成功都需要技術和工藝的雙重結合。至少，我們需要保證當新的技術需要新的工藝進行支持的時候，新的工藝就已經在那里等著了！