IBM 2nm芯片采用的GAA技術(shù)能否替代FinFET而延續(xù)摩爾定律的神話？

IBM最近宣布，位于紐約Albany的IBM Research實(shí)驗(yàn)室采用納米片（nanosheet）技術(shù)研制出2nm芯片，據(jù)稱在150mm2的平面上（約指甲蓋大?。┣度肓?500 億個(gè)晶體管，平均每平方毫米3.3 億個(gè)。而臺(tái)積電和三星的7納米芯片容納的晶體管數(shù)量大約在每平方毫米9，000萬(wàn)個(gè);三星的5LPE為1.3億個(gè);臺(tái)積電的5納米芯片則是1.7億個(gè)。

IBM 2nm芯片的性能/功耗提升靠什么技術(shù)？

據(jù)IBM Research負(fù)責(zé)人Darío Gil稱，采用2納米工藝制造的處理器相比現(xiàn)在許多筆記本電腦及手機(jī)使用的主流7納米處理器速度提升45%，能效提高75%。也就是說(shuō)，其2納米架構(gòu)可以在與現(xiàn)有7納米相同的性能下，僅耗用25%的電力。以最新的智能手機(jī)為例，可能四天才需要充一次電。而在筆記本電腦、自動(dòng)駕駛等對(duì)能耗不敏感的使用場(chǎng)景下，則能帶來(lái)更高的算力。

這種2nm芯片還可用于數(shù)據(jù)中心、太空探索、人工智能、5G、6G 乃至于量子計(jì)算。但要真正投片量產(chǎn)還要等待幾年時(shí)間，估計(jì)至少要到2024年。大約4年前，IBM宣布與合作伙伴格芯和三星共同開發(fā)出采用納米片晶體管結(jié)構(gòu)的5納米芯片。

據(jù)稱在指甲蓋大小的面積上集成了30億個(gè)晶體管，而其前一代7納米測(cè)試芯片（于2015年發(fā)布）的容量為20億個(gè)晶體管。然而，今年下半年才能看到IBM的7納米芯片投入商用。

雖然IBM不再自己生產(chǎn)芯片（將其晶圓廠賣給了格芯），但位于紐約Albany的IBM Research實(shí)驗(yàn)室仍繼續(xù)研發(fā)最前沿的半導(dǎo)體制造技術(shù)，7nm、5nm和2nm芯片都是業(yè)界率先研制成功的，而且都是采用這種業(yè)界通常稱為柵極全環(huán)繞型（GAA，Gate-All-Around）的納米片（nanosheet）技術(shù)。

從Planar到FinFET，再到GAA

可以容納數(shù)十億個(gè)晶體管的先進(jìn)微處理器無(wú)疑是世界上最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，但其本質(zhì)上卻是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的單元：晶體管。無(wú)論晶體管數(shù)量多大，它們幾乎都是相同的，功能上就是一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)。因此，提高性能并增加這些晶體管的密度是使微處理器及其驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)高效工作的最直接方法。這就是多年來(lái)摩爾定律正常運(yùn)作的前提，但現(xiàn)在幾乎要走到盡頭了。

開發(fā)更小且更好的晶體管在技術(shù)上越來(lái)越困難，而且制造成本越來(lái)越高。目前，全世界只有英特爾、三星和臺(tái)積電（TSMC）三家公司能夠生產(chǎn)7nm及以下工藝的芯片。雖然臺(tái)積電和三星仍在不斷往5nm、3nm甚至2nm工藝進(jìn)軍。

但它們已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上晶體管線寬的準(zhǔn)確物理概念了，只是廠商在最先進(jìn)工藝競(jìng)賽中使用的營(yíng)銷代號(hào)而已。盡管如此，它們?nèi)匀豢梢苑从吵?a target="_blank">集成電路中晶體管的結(jié)構(gòu)特征和小型化程度。

自1959年問世以來(lái)，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）一直采用相同的基本結(jié)構(gòu)：柵極疊層、溝道區(qū)、源極和漏極。而且MOSFET的源極和漏極基本放置于硅平面上，柵極疊層位于溝道區(qū)的正上方，這就是沿用多年的平面型FET（Planar FET）。然而，這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺點(diǎn)是電荷有可能通過溝道區(qū)域泄漏，導(dǎo)致晶體管永遠(yuǎn)不會(huì)完全截止，從而浪費(fèi)功率并產(chǎn)生熱量。

為了阻止不必要的電荷流，必須將溝道區(qū)域做得更薄，以限制電荷流動(dòng)的路徑，而且柵極需要在更多側(cè)面包圍溝道。為解決這一問題，加州大學(xué)伯克利分校的胡正明教授于2000年提出了鰭式場(chǎng)效晶體管（FinFET）方案。

在這種設(shè)計(jì)中，溝道區(qū)域在其側(cè)面向上傾斜，從而在源極和漏極之間形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的硅鰭，為電流提供了更寬的路徑。然后將柵極和電介質(zhì)覆蓋在鰭片的三個(gè)側(cè)面，將硅鰭包圍起來(lái)。2011年，英特爾開始利用FinFET結(jié)構(gòu)生產(chǎn)22納米的芯片。這一創(chuàng)新的晶體管結(jié)構(gòu)把摩爾定律的有效期延長(zhǎng)了數(shù)十年，如今22納米以下的工藝都是采用FinFET結(jié)構(gòu)。

從Planar FET到FinFET再到疊層納米片F(xiàn)ET的演進(jìn)（來(lái)源：IEEE SPECTRUM）

FinFET無(wú)疑取得了巨大的成功，自2011年以來(lái)它一直是摩爾定律最后階段中先進(jìn)數(shù)字邏輯芯片的主動(dòng)力。英特爾、三星和臺(tái)積電等公司都在繼續(xù)使用FinFET研發(fā)7nm和5nm的芯片。但是，到了3nm節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)inFET有點(diǎn)力不從心了。

FinFET雖然解決了平面型FET的電荷泄漏問題，但它也引入了新的設(shè)計(jì)限制。要知道，為達(dá)到最佳效果，我們必須在晶體管的速度、功耗、制造復(fù)雜性和成本之間做出取舍。這種折衷與溝道寬度（Weff ）有很大關(guān)系，更大的寬度意味著可以驅(qū)動(dòng)更多的電流并更快地開關(guān)晶體管。但這需要更復(fù)雜、成本更高的制造工藝。

對(duì)于平面型FET結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)單地通過調(diào)整溝道的幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)折衷。但是FinFET的鰭片卻沒有這樣的靈活性，因?yàn)檫B接晶體管以形成電路的金屬互連位于晶體管自身上方的層中。因此，在不干擾互連層的前提下，晶體管鰭片的高度（相當(dāng)于平面型FET的寬度）實(shí)際上不能有很大的變化。如今，芯片設(shè)計(jì)人員通過設(shè)計(jì)具有多個(gè)鰭的晶體管來(lái)解決這個(gè)問題。

FinFET的另一個(gè)缺點(diǎn)是，其柵極僅在三個(gè)側(cè)面圍繞矩形硅鰭，而底側(cè)仍與硅主體相連。當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，仍有一些泄漏電流流過。業(yè)界研究人員認(rèn)為，要獲得對(duì)溝道區(qū)域的完全控制，柵極需要將其四面完全包圍。

從1990年開始，研究人員就著手將此想法付諸實(shí)際，并研制出首個(gè)完全圍繞溝道區(qū)域的柵極硅器件。從那以后，更多的研究人員投入研發(fā)所謂的柵極全環(huán)繞型（GAA）器件。到2003年，一直尋求最小化電流泄漏的研究人員將溝道區(qū)域變成了一條狹窄的納米線（nanowire），該納米線連接源極和漏極，其四周都被柵極包圍了。

那么，是否可以基于全包圍的納米線設(shè)計(jì)新的晶體管呢？這時(shí)溝道寬度又成了攔路虎。雖然較細(xì)的導(dǎo)線幾乎完全阻止了電子的逃逸，在晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)確實(shí)達(dá)到了真正的關(guān)閉。但是，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，它也阻礙了電子的流動(dòng)，從而限制了電流并減慢了開關(guān)速度。

如果將納米線彼此堆疊起來(lái)，就可以獲得更大的Weff，從而獲得更多電流。2004年三星研發(fā)出了這種配置的結(jié)構(gòu)，稱為多橋溝道FET。但是它有一些局限性，例如FinFET的鰭堆疊不能太高，否則會(huì)干擾互連層。另外，每增加一條納米線就會(huì)增加晶體管的電容，從而減慢晶體管的開關(guān)速度。最后，由于制造非常窄的納米線特別復(fù)雜，其邊緣常常變得非常粗糙，這種表面粗糙度又會(huì)阻礙電荷載流子的速度。

2006年，法國(guó)CEA-Leti的研發(fā)人員想出了一個(gè)更好的主意。他們沒有使用一堆納米線來(lái)橋接源極和漏極，而是采用了一堆硅薄片。這個(gè)想法是在較小的晶體管中增加溝道的寬度，同時(shí)保持對(duì)泄漏電流的嚴(yán)格控制，從而提供性能更好的低功耗器件。IBM Research在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，證明由堆疊納米片（stacked nanosheets）構(gòu)成的晶體管在同樣的面積上可以提供比FinFET更寬的Weff。

此外，納米片的設(shè)計(jì)又提供了一個(gè)額外的好處：它恢復(fù)了從Planar FET向FinFET過渡時(shí)喪失的靈活性。既可以讓納米片變寬以增加電流，也可以使其變窄以限制功耗。IBM Research將它們堆疊成三層，大小從8-50 nm不等，并于2017年宣布開發(fā)出基于這種納米片結(jié)構(gòu)的5nm芯片。

GAA能否取代FinFET的主導(dǎo)地位？

在這種新型晶體管結(jié)構(gòu)的開發(fā)過程中，有各種各樣的名稱出現(xiàn)，比如柵極全環(huán)繞型（GAA）、多橋溝道、納米束，以及半導(dǎo)體學(xué)術(shù)研究界通常叫的“納米片”。叫什么名字不重要，重要的是這種設(shè)計(jì)不僅僅是邏輯芯片的下一個(gè)晶體管結(jié)構(gòu)，它可能是摩爾定律終結(jié)前的最后一個(gè)。

那么，如何制造納米片呢？制造納米片需要補(bǔ)償層、選擇性化學(xué)蝕刻劑，以及先進(jìn)的原子精確沉積技術(shù)。

納米片設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)插圖：Emily Cooper

基于納米片結(jié)構(gòu)的晶體管又如何構(gòu)建呢？考慮到大多數(shù)半導(dǎo)體制造工藝從硅的頂部垂直向下切割或從裸露的表面垂直向上填充，這似乎是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。納米片需要去除其他材料層之間的材料，并用金屬和電介質(zhì)填充間隙。

其中的關(guān)鍵是構(gòu)建所謂的超晶格--一種由兩種材料組成的周期性分層晶體。它可以是硅和硅鍺，研究人員已經(jīng)制作出了19層的超晶格，但是所涉及的機(jī)械應(yīng)力以及電容讓我們認(rèn)識(shí)到不應(yīng)該使用這么多的層。在生長(zhǎng)了適當(dāng)數(shù)量的層之后，我們使用一種選擇性腐蝕硅鍺但對(duì)硅無(wú)作用的化學(xué)物質(zhì)，僅留下硅納米片作為源極和漏極之間的懸浮橋。

構(gòu)建好硅納米片的溝道區(qū)域后，就需要填充間隙，首先用電介質(zhì)，然后用金屬環(huán)繞溝道，以形成柵極疊層。這兩個(gè)步驟都是通過稱為“原子層沉積”的工藝完成的，這種工藝僅在十年前才引入半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。

納米片設(shè)計(jì)的驚人之處是，它可能延續(xù)摩爾定律的有效壽命，甚至超過溝道中硅的使用時(shí)間，但是首先要解決散熱問題。每代工藝節(jié)點(diǎn)的晶體管密度仍在不斷增加，但芯片可以合理散熱的功率密度近十年來(lái)一直保持在每平方厘米100瓦左右。

芯片制造商已竭盡全力避免超過這一上線。為了降低熱量，時(shí)鐘速率不得超過4 GHz，于是處理器廠商轉(zhuǎn)向多核設(shè)計(jì)，期望幾個(gè)較慢的處理器內(nèi)核可以完成與單個(gè)快速處理器內(nèi)核相同的工作，同時(shí)產(chǎn)生的熱量更少。然而，如果想再次提高時(shí)鐘速度，我們就需要比硅本身的能效更高的晶體管。

一種潛在的解決方案是將新材料引入溝道區(qū)域，例如鍺或由元素周期表的第III列和第V列的元素組成的半導(dǎo)體，例如砷化鎵。電子在其中一些半導(dǎo)體中的移動(dòng)速度可以快10倍以上，從而使得由這些材料制成的晶體管的開關(guān)速度更快。更重要的是，由于電子運(yùn)動(dòng)更快，器件可以在較低的電壓下工作，從而提高了能效，并減少了熱量的產(chǎn)生。

受早期關(guān)于納米線晶體管和超晶格結(jié)構(gòu)研究的啟發(fā)，普渡大學(xué)的Peide Ye教授使用砷化銦鎵（III-V半導(dǎo)體）研制出一種三納米片器件，其結(jié)果好于預(yù)期。這種納米片晶體管對(duì)于每微米的溝道寬度允許9，000微安的電流。這是當(dāng)今最好的平面型InGaAs MOSFET的三倍左右。如果制造工藝得到進(jìn)一步改善，這種器件的性能仍然可以提高。通過堆疊更多的納米片，我們有可能將性能提高10倍以上。因此，這一設(shè)計(jì)思路對(duì)未來(lái)的高速和節(jié)能型集成電路的發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。

當(dāng)然，InGaAs并不是未來(lái)納米片晶體管的唯一選擇。研究人員還在探索其他具有高遷移率載流子的半導(dǎo)體，包括鍺、砷化銦和銻化鎵。例如，新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員最近使用由砷化銦制成的N型晶體管和由銻化鎵制成的P型晶體管的組合，構(gòu)建了完整的CMOS IC。然而，一種可能更簡(jiǎn)單的解決方案是使用摻雜的鍺，因?yàn)殡娮雍驼姾奢d流子（空穴）通過鍺的速度都非?？臁?/p>

總而言之，無(wú)論采用什么化合物材料，堆疊納米片似乎是構(gòu)造未來(lái)晶體管的最佳方法。芯片制造商已經(jīng)對(duì)該技術(shù)有足夠的信心，相信在不久的將來(lái)會(huì)將其納入設(shè)計(jì)規(guī)劃路線圖。隨著高遷移率半導(dǎo)體材料的集成，納米片晶體管將滲透到我們的未來(lái)生活，這是任何人現(xiàn)在就可以預(yù)見到的。

GAA之爭(zhēng)已經(jīng)開始

TSMC計(jì)劃在2022年第三季度為蘋果公司提供基于3nm FinFET的芯片，而三星計(jì)劃在2022年第四季度開始量產(chǎn)其第一代基于3nm GAA晶體管的芯片。在臺(tái)積電的規(guī)劃路線圖上，這家全球最大的晶圓代工廠商計(jì)劃將FinFET擴(kuò)展到3nm，然后在2023/2024年轉(zhuǎn)移到2nm GAA。相比之下，三星則直接從5nm FinFET轉(zhuǎn)移到3nm GAA。

英特爾還在開發(fā)可能用于其5nm節(jié)點(diǎn)的納米片F(xiàn)ET，但目前尚不清楚英特爾的5nm芯片何時(shí)發(fā)布，但短期內(nèi)難以縮小與臺(tái)積電和三星的工藝差距。至少在未來(lái)三年內(nèi)，三星和臺(tái)積電的總支出將超過500億美元，對(duì)于任何一家公司來(lái)說(shuō)，要在最先進(jìn)的邏輯處理技術(shù)上趕上這兩家公司都是極其困難的。

但是，美國(guó)的英特爾在其新任CEO的領(lǐng)導(dǎo)下，趕上甚至超越還是有可能的。也許，新型的GAA（或者納米片）晶體管是拯救英特爾和摩爾定律的最后一根稻草。

編輯：jq