摩爾定律的下一步 - 后摩爾定律時代芯片的出路

　　現(xiàn)在的芯片晶體管間距已經(jīng)在 10 納米左右的量級了。減小間距會帶來非線性的成本增加，根據(jù)國際商務戰(zhàn)略公司 CEO Handel Jones 的估計，當業(yè)界能夠生產(chǎn)晶體管間距 5 納米的芯片時（根據(jù)過去的增長率來看可能出現(xiàn)在2020年代早期），晶圓廠的成本可能飆升到超過 160 億美元，這是英特爾目前年營收的三分之一。

　　2015 年英特爾的年營收是 554 億美元，只比 2011 年增長了2%。這種營收的緩慢增長與成本的大幅上漲，帶來了顯而易見的結(jié)論：從經(jīng)濟的角度來看，摩爾定律已經(jīng)過時了。

　　摩爾定律的下一步

　　很顯然，傳統(tǒng)的芯片設計方案已經(jīng)到達了瓶頸。要找到下一代芯片，會需要兩個廣泛的變化。

　　1、晶體管的設計必須從根本改變；

　　2、行業(yè)必須找到硅的替代品，因為它的電學屬性已經(jīng)被推到了極限。

　　1、根本改變芯片設計

　?。?）第三個維度

　　針對這個問題，一個解決方案是重新設計隧道和柵極。按照慣例，晶體管一直是平面的，但自從 2012 年之后，英特爾給產(chǎn)品增加了第三個維度。要啟用它來生產(chǎn)出只有 22 納米距離的芯片，它切換到了被稱為“finFETch”的晶體管。這個產(chǎn)品讓一個通道在芯片表面豎起來，柵極圍繞著該通道三個裸露的方向（第二張圖），這使得它能夠更好的處理發(fā)生在隧道內(nèi)部的任務。這些新的晶體管做起來比較棘手，但相比過去相同尺寸的版本，要快 37%，而且僅僅消耗一半的電量。

　　（2）Gate-All-Around

　　下一個邏輯步驟，Argonne 國家實驗室的 Snir 先生說，是周圍柵極（Gate-All-Around）的晶體管，它的通道被四面的柵極環(huán)繞。這能提供最大的控制，但它給制造過程增加了額外的步驟，因為柵極必須在多個部分分別構(gòu)建。大的芯片制造公司，例如三星曾經(jīng)表示，它可能會使用周圍柵極的晶體管來制造 5 納米分離的芯片，三星以及其他的制造商，希望能做 2020 年代前期達到這個階段。

　?。?）量子隧穿效應
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　　除此之外需要更多外部的解決方案。一種想法是利用量子隧穿效應，這對于傳統(tǒng)的晶體管來說是很大的煩惱，而當晶體管縮小的時候，事情也總會變得糟糕。這是有可能的，通過施加電場，以控制隧道效應發(fā)生的速率。低泄漏率對應狀態(tài) 0，高泄漏率對應 1。第一個實驗隧道晶體管由 IBM 的團隊在 2004 年展示。從那之后，研究人員一直致力于商業(yè)化。

　　2015 年，美國加州大學一個由 Kaustav Banerjee 領(lǐng)導的研究小組，在 Nature 上發(fā)表了一篇文章，他們已經(jīng)建立了一個隧道晶體管，工作電壓只有 0.1，要遠遠小于比目前正在使用的 0.7V，這意味著更少的熱量。但是在隧道晶體管變得可用之前，還有更多的工作需要完成。ARM 的微芯片設計師 Greg Yeric 說道：“目前它們在打開和關(guān)閉開關(guān)的速度還不夠快，不足以讓它們在快速的芯片中使用。Jim Greer 和他在愛爾蘭 Tyndall 研究院的同事提出了另一個思路，它們的設備被稱為無連接納米線晶體管（JNT），旨在幫助解決小尺度制作的問題：讓摻雜做的足夠好?！斑@些天你正在談論半導體摻小量的硅雜質(zhì)，然后會很快來到這個點，即便是一個或兩個雜質(zhì)原子的錯誤位置，都會激烈的影響晶體管的表現(xiàn)?！盙reer 博士說道

　　相反，他和他的同事提出建立自己的 JNTs，距離一種一致?lián)诫s的硅，只有 3 納米的跨越。通常來說，這會導致一條電線，而不是一個開關(guān)：一個有著均勻?qū)щ娔芰Φ脑O備，而且不會被關(guān)閉。但是在這種微小的尺度下，柵極的電子影響能夠剛好穿透電線，所以單獨的柵極能夠防止，在晶體管關(guān)閉的時候進行電流流動。

　　傳統(tǒng)晶體管的工作原理是，在原本彼此隔離的源極和漏極之間搭建電橋。Greer 博士的設備以其他的方式工作：更像一個軟管，柵極充當著避免電流流動?！斑@是真正的納米技術(shù)，”他說：“我們的設備只能在這個尺度上工作，而最大的好處是，你不需要擔心制造這些繁瑣的結(jié)點?！?/p>

　　2、尋找硅的替代品
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　　芯片制造商也在用超越硅的材料進行試驗。去年，一個包括了三星、Gobal Foundries、IBM 和紐約州立大學的研究聯(lián)盟，公布了一個 7 納米的微芯片，這個技術(shù)被在 2018 年以前，并不被期待來到消費者的手中。它使用了和上一代發(fā)布的 FinFET 相同的設計，做了輕微的修改，但盡管大多數(shù)的設備都是從通常的硅制作完成的，其晶體管大約一半都是由硅 - 鍺（SiGe）合金制成的隧道。

　?。?）硅 - 鍺（SiGe）合金

　　選擇了這種設計，是因為在某些方面，這是比硅更好的導體。再一次，這意味著更低的功率使用，并且允許晶體管更快的打開和關(guān)閉，提升芯片的速度。但這不是萬能藥，IBM 物理科學部門的負責人 Heike Riel 說?，F(xiàn)代芯片從兩種晶體管構(gòu)建，一個被設計為傳導電子，帶著負電荷。其他種類被設計來導入“洞”里，這會放置在可能、但意外沒有包含電子的半導體中。這些的出現(xiàn)，表現(xiàn)的就像它們帶有正電荷的電子。并且，雖然硅鍺擅長輸送“洞穴”，但相比硅來說，它不是很擅長移動電子。