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芯片上的晶體管為什么越做越小,小尺寸背后的意義是什么?

時(shí)間:2022-04-12 10:05:12來(lái)源:

導(dǎo)語(yǔ):?如果將中央處理器稱(chēng)為一臺(tái)計(jì)算機(jī)的心臟,那么芯片就是這具身體的靈魂,幾乎決定了計(jì)算機(jī)的全部系統(tǒng)性能。晶體管則更是芯片的核心元器件,其更小的柵極尺寸,意味著芯片上可以集成更多的晶體管,并帶來(lái)性能飛躍性的提升。

  在科技領(lǐng)域,很多突破都與“多”和“大”有關(guān),但是在集成電路領(lǐng)域,有一個(gè)部件正在不斷地往“小”的方向發(fā)展,那就是晶體管的柵極尺寸。

  如果將中央處理器稱(chēng)為一臺(tái)計(jì)算機(jī)的心臟,那么芯片就是這具身體的靈魂,幾乎決定了計(jì)算機(jī)的全部系統(tǒng)性能。晶體管則更是芯片的核心元器件,其更小的柵極尺寸,意味著芯片上可以集成更多的晶體管,并帶來(lái)性能飛躍性的提升。

  1、史上柵極長(zhǎng)度最小晶體管

  近日,清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上在線發(fā)表題為《具有亞1納米柵極長(zhǎng)度的垂直硫化鉬晶體管》的論文,在小尺寸晶體管研究方面取得重要進(jìn)展,首次實(shí)現(xiàn)了具有亞1納米柵極長(zhǎng)度且具有良好的電學(xué)性能的晶體管。

芯片.jpg

  在過(guò)去10多年間,任天令團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于二維材料器件技術(shù)研究,從材料、器件結(jié)構(gòu)、工藝、系統(tǒng)集成等多層次實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破。

  集成電路領(lǐng)域有一個(gè)著名定律叫“摩爾定律”。戈登·摩爾曾經(jīng)在1965年提出,集成電路芯片上可容納的晶體管數(shù)目,每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍,微處理器的性能提高一倍,或價(jià)格下降一半。

  過(guò)去幾十年晶體管的柵極尺寸在摩爾定律的推動(dòng)下不斷微縮,然而近年來(lái),隨著晶體管的物理尺寸進(jìn)入納米尺度,電子遷移率降低、漏電流增大、靜態(tài)功耗增大等問(wèn)題層出不窮,使得新結(jié)構(gòu)和新材料的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。

  “目前主流工業(yè)界晶體管的柵極尺寸在12納米以上,例如我們常用的手機(jī)。但如果晶體管關(guān)鍵尺寸可以進(jìn)一步微縮,我們的電子產(chǎn)品就可以更便于攜帶,功能更豐富?!比翁炝钫f(shuō)。

  學(xué)術(shù)界在極短?hào)砰L(zhǎng)晶體管方面作出了探索,然而目前國(guó)際上研究團(tuán)隊(duì)的極限也僅能實(shí)現(xiàn)柵長(zhǎng)為1納米的平面硫化鉬晶體管?!熬w管是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界生產(chǎn)芯片最基本的出發(fā)點(diǎn),如果能把這個(gè)最小的基本單元做好的話,毫無(wú)疑問(wèn)能給一系列外延功能提供更好的支持?!比翁炝罡嬖V中青報(bào)·中青網(wǎng)記者,進(jìn)一步突破1納米以下柵長(zhǎng)晶體管的瓶頸,成了團(tuán)隊(duì)下決心要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。

  其實(shí)早在2018年,任天令團(tuán)隊(duì)就提出了一個(gè)想法,希望用少層或者單層石墨烯的邊緣作為晶體管柵極來(lái)實(shí)現(xiàn)新型的晶體管。在實(shí)驗(yàn)前期,由于石墨烯二維材料特殊的物理性質(zhì),團(tuán)隊(duì)需要在整體器件工藝上進(jìn)一步優(yōu)化,以盡量在實(shí)驗(yàn)室條件下減少工藝流程,增加其可靠性。

  然而這個(gè)鮮有科研團(tuán)隊(duì)涉足的領(lǐng)域,由于缺乏先前實(shí)驗(yàn)參照及預(yù)期中的不可知性,團(tuán)隊(duì)遇到了一道道難關(guān),哪怕是其中一個(gè)看似簡(jiǎn)單的制造工藝,都需要團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)打磨。

  “其實(shí)我們走了非常多彎路,經(jīng)歷過(guò)大大小小的失敗,實(shí)驗(yàn)到凌晨對(duì)團(tuán)隊(duì)成員而言也是家常便飯?!比翁炝钫f(shuō)。

  回憶起這段跌跌撞撞的摸索經(jīng)歷,任天令反復(fù)提起兩個(gè)詞,“持之以恒”和“團(tuán)隊(duì)協(xié)作”。

  在團(tuán)隊(duì)成員夜以繼日的努力下,他們巧妙利用石墨烯薄膜超薄的單原子層厚度和優(yōu)異的導(dǎo)電性能作為柵極,通過(guò)石墨烯側(cè)向電場(chǎng)來(lái)控制垂直的MoS2溝道的開(kāi)關(guān),終于實(shí)現(xiàn)最小等效物理柵長(zhǎng)為0.34納米。團(tuán)隊(duì)成功推動(dòng)了摩爾定律進(jìn)一步發(fā)展到亞1納米級(jí)別,同時(shí)為二維薄膜在未來(lái)集成電路的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

  2、晶體管越小性能越好

  在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)中,電子技術(shù)得到了飛速發(fā)展。在1920年,當(dāng)是最好的中波收音機(jī)內(nèi)包含有多個(gè)中真空管、很多體積碩大的電感、電容以及電阻,幾十米長(zhǎng)的電線作為接收天線,用于供電的電池組的體積占據(jù)了很大的空間。

晶體管.jpg

  如今,可以收聽(tīng)十幾個(gè)電臺(tái)的收音機(jī)可以輕松裝在你的口袋里,輔助的功能也極其豐富。但尺寸的減小并不僅僅為了便于攜帶:而是實(shí)現(xiàn)我們期望高性能的關(guān)鍵因素。

  元器件尺寸的減小的最為明顯的好處就是可以在同樣體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能,這對(duì)于數(shù)字電路尤其關(guān)鍵:更多的元器件,使得你可以在相同的時(shí)間內(nèi)做更多的事情。比如一個(gè)64位的處理器,理論上可以在同樣的時(shí)鐘頻率下完成8位處理器的八倍的信息處理,為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),它也同樣需要八倍的電子元件:包括寄存器、累加器、總線寬度以及其他部件都會(huì)有八倍數(shù)量的提升。所以你需要有一個(gè)八倍尺寸的芯片,或者組成電路的元器件的尺寸小八倍。

  對(duì)于存儲(chǔ)器也是相同的:更小的電子元器件可以在相同的體積存儲(chǔ)更多的信息?,F(xiàn)在的顯示器的像素是由薄膜三極管制作,所以減少期間的尺寸可以提高顯示器的分辨率。然而除此之外還有更加關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)來(lái)自于更小的晶體管,那就是它們的性能也隨著體積的減小而得更顯著的提高。

  未來(lái)是啥樣?

  現(xiàn)在技術(shù)雜志中經(jīng)常反復(fù)出現(xiàn)的說(shuō)法就是摩爾定理的失效,或不斷給出這些預(yù)測(cè)出錯(cuò)的原因。但事實(shí)上,半導(dǎo)體中的三巨頭,英特爾、三星和臺(tái)積電仍然在努力將更多的器件壓縮進(jìn)方寸之中,并籌劃未來(lái)更多芯片改進(jìn)工藝。雖然比不上20年前改進(jìn)步伐那么顯著,但晶體管尺寸的降低一如既往。

  但對(duì)于其它分立器件我們好像到了它們的自然極限:尺寸的降低非但不能帶了性能的提高,而且也超出了大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

  似乎對(duì)于分立器件來(lái)說(shuō),并沒(méi)有什么摩爾定律,如果有的話,我更愿看到有誰(shuí)能完成焊接這些標(biāo)貼器件的挑戰(zhàn)。

標(biāo)簽: 芯片

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