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5纳米!IBM与合作伙伴研制出新型晶体管制造工艺
时间:2017-06-09 08:01 作者:佚名 点击:

  近日,IBM 与其研究联盟合作伙伴 GLOBALFOUNDRIES、三星公司以及设备供应商首开行业先河,成功研制出了硅纳米层晶体管制造工艺,这种晶体管将有助于实现 5 纳米 (nm) 芯片。IBM 将在日本京都举行的 2017 VLSI Technology and Circuits 研讨会上详细介绍这一研究成果。

  

5纳米!IBM与合作伙伴研制出新型晶体管制造工艺

  科学家们先是开发出容纳 200 亿个晶体管的 7 纳米测试芯片,又在之后不到两年的时间里,成功地在一个指甲大小的芯片上放置了 300 亿个晶体管。

  性能的提升将会加快认知计算、物联网 (IoT) 和在云端交付的其他数据密集型应用的发展速度。节省能耗意味着智能手机或其他移动产品中的电池一次充电的续航时间将比现在延长两到三倍。

  在位于纽约州奥尔巴尼市的纽约州立大学理工学院纳米科学与工程学院的 NanoTech Complex,IBM领导开展了“研究联盟”项目。传统的硅半导体行业采用垂直堆叠架构,参与项目的科学家们没有采用标准的 FinFET 【FinFET称为鳍式场效应晶体管(Fin Field-Effect Transistor)】架构,而是将纳米层进行水平堆叠,从而实现了重大技术突破,这为半导体行业超越 7 纳米节点技术描绘了蓝图。

  

  “未来几年,企业和社会要想满足对认知计算和云计算的需求,半导体技术的进步至关重要”,混合云部门高级副总裁兼 IBM 研究院院长 Arvind Krishna 说道。“为此,IBM积极探索不同的新架构和材料,挑战半导体行业的极限,将其应用在我们的大型机和认知系统等产品领域。”

  

  研究联盟在 VLSI 大会上发布的文章(Stacked Nanosheet Gate-All-Around Transistor to Enable Scaling Beyond FinFET)中对硅纳米层晶体管进行了详细说明,证明了 5 纳米芯片性能更加卓越,而且在不远的将来就能实现。

  与市场上现有的 10 纳米前沿技术相比较,基于纳米片的 5 纳米技术可以在同样功率上把处理性能提高 40%,或者达到同样处理性能而减少 75% 的功率。这些改进有助于大力推动满足未来对人工智能 (AI) 系统、虚拟现实和移动设备的需求。

  打造新开关

  

  “日前宣布的这一消息标志着我们在纽约开展的开创性公私合作项目所带来的最新世界级研究成果”,GLOBALFOUNDRIES 首席技术官兼全球研发部门主管 Gary Patton 表示。“随着我们将于 2018 年在 Fab 8 制造工厂推进 7 纳米技术商业化进程,我们正在积极探索新一代 5 纳米技术,以便维持自身的技术领导地位,并支持我们的客户生产更小、更快、更经济的新一代半导体。”

  IBM 研究院探究纳米半导体技术已有 10 余年时间。这项研究成果首次向业界表示,纳米片堆叠式装置在电气性能方面优于 FinFET 架构。

  制造 7 纳米测试节点及其 200 万个晶体管所使用的极紫外光 (EUV) 光刻方法,也被用来制造纳米片晶体管架构。利用 EUV (Extreme Ultraviolet) 光刻方法(lithography approach),纳米片的宽度可以不断调整,所有调整操作都包含在单个制造工艺或芯片设计之中。这种调整灵活性可以支持对特定电路的性能和功耗进行微调——这是利用当今的 FinFET 晶体管架构无法实现的,因为这种晶体管目前承载的鳍片高度(fin height)是有限的。因此,虽然 FinFET 芯片可以缩放至 5 纳米,但是这仅仅是缩短了鳍片间距,无法提供更多的电流来实现额外性能。

  “今天宣布的成果会推进与 IBM 之间的公私合作,不断加强纽约州立大学理工学院、奥尔巴尼市以及纽约州在开发新一代技术方面的领导力和创新力”,纽约州立大学理工学院代理校长 Bahgat Sammakia 博士说道。“我们认为,实现首个 5 纳米晶体管是整个半导体行业的重大里程碑,我们将继续挑战自身的能力极限。纽约州立大学理工学院、IBM 与 Empire State Development 之间的合作,是产业、政府与学术界成功合作的完美典范,将会对社会产生积极而广泛的影响。”

  IBM 于 2014 年宣布将会在未来五年内投资 30 亿美元用于芯片研发,5 纳米节点架构就是所取得重大突破之一,并且继承了IBM 硅片和半导体创新的悠久传统。这些创新包括:发明及首次应用单管单元 DRAM(single cell DRAW)、登纳德标度律 (Dennard Scaling Laws)、化学增幅型抗蚀剂(chemically amplified photoresists)、铜互联布线、绝缘硅、张力工程(strained engineering)、多核微处理器、浸没式光刻(immersion lithography)、高速硅锗 (high speed SiGe)、高 k 栅极电介质(High-k gate dielectrics)、嵌入式 DRAM(embedded DRAM)、3D 芯片堆栈(3D chip stacking)和气隙绝缘体(Air gap insulators)等。

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