More than Moore的探索

2022-01-11 48

众所周知，现代电子学于1947年12月16日在新泽西州 Murray Hill的贝尔实验室诞生，在那里物理学家Walter Brattain 首次成功使用一种临时制作的半导体元件放大了电压，至此晶体管就诞生了。这也是第一次出现替代笨重、不可靠、能耗高的真空管的方法。从外观上看，Brattain的实验室装置由一块锗板、一个塑料三角形、金箔和一个回形针组成，与现代芯片几乎没有什么共同之处——但它确实开创了个人电脑、智能手机和自推进式汽车的时代。

这种新的电子元件可以用作放大器和开关，并与其他元件如电阻和电容一起作为集成电路安装在单个晶圆上。在接下来的几十年里，半导体公司成功让电子元件变得越来越小，并在同一表面上容纳越来越多的元件。早在1965年，戈登·摩尔(Gordon Moore)就预测，单位面积上晶体管的数量将呈指数增长。

Gordon Moore

简单的缩放达到了极限

经过几十年的发展，摩尔的预测基本上被证明是正确的，但到了现在它终于即将达到极限。因为经过验证的MOSFET作为芯片上的开关，其尺寸的逐渐缩小不再起作用:“大约15年前，人们意识到简单的缩放已经达到了极限，”Heike Riel博士说到，他是瑞士Rüschlikon IBM研究中心的IBM研究员，“这就是为什么制造商首先用所谓的高k材料取代二氧化硅作为晶体管的绝缘材料，同时保持相同的MOSFET几何形状，因为只有这样才有可能制造出45nm芯片。”

即便如此，摩尔定律也只能维持几年。在此背景下，晶圆制造商在2010年上半年就开始更小组件上使用一种新的晶体管架构，也就是FinFET。这种晶体管在源极和漏极之间的导电通道形状像一个鳍状，并由栅极封闭在几个侧面。Riel说:“这可以更加容易控制晶体管中的电流。我们使用的22nm FinFET，现在已经成为集成电路的标准器件。”

GAAFET晶体管

现在，新型晶体管也已经出现。从5nm开始，GAAFET（全栅FET）将接管芯片中的工作。Riel解释说：“在GAAFET中，源极和漏极之间的导电通道由几条平行的硅纳米线组成，每条纳米线都被栅电极完全包围。”这不仅是控制电流的最佳几何形状，还节省了芯片上的空间，因为形成晶体管沟道的几个纳米线结构是相互叠加的。未来，汽车应用也将受益于GAAFET等技术的发展，新型、强大的HCPs无论作为许多分散控制单元继承者，还是用于自动驾驶的特殊处理器，都依赖于具有高计算能力的芯片。但是从长远来看，即使GAAFET也无法挽救摩尔定律：3nm过后，器件将变得紧凑，并在未来三到四年内也将达到极限。

KIT纳米技术研究所主任托马斯·席梅尔教授说：“一个巧妙的改进阶段即将结束。”到目前为止，总能找到一种技术解决方案，使经典晶体管进一步小型化——但现在芯片已经达到了原子尺寸。由于量子力学隧道效应，电子可以穿过绝缘体，这将使元件变得毫无用处。因为与经典物理学的观点相反，即使电子实际上没有足够能量，依旧可以克服势垒。但即使是在生产过程中有针对性地将外来原子引入高纯硅中，也就是“掺杂”过程，也无法在更小的结构中发挥作用。

目前还没有明确的新型晶体管

因此人们开始寻找一种新型晶体管，可以进一步提高未来电子电路的性能。IBM研究人员Riel列出了一系列MOSFET替代品，包括碳纳米管场效应晶体管（CNFET）和隧道场效应晶体管（TFET）。在CNFET中，电流流经微小的碳管。今年，麻省理工学院的研究人员表示，这种快速节能的开关可以在传统的芯片工厂中生产。TFET在设计上类似于传统晶体管，但在开关方面利用了量子力学隧道效应，既节能又快捷。CNFET、TFET或任何其他方法是否会赢得比赛是完全开放的。Riel说：“目前有很多研究，但没有明确的领先者来取代优化的硅MOSFET。”

因此，KIT研究人员Schimmel将赌注押在单原子晶体管的长期发展上：在这种晶体管中，控制电极移动一个原子，该原子可以关闭两端之间的微小间隙，从而使电流能够流动。“原则上，它的工作原理就像一个有两个稳定状态的继电器，”Schimmel说，他和他的团队在2004年开发了第一个单原子晶体管，这种晶体管不仅是一种开关，还是一种非易失性存储器，可以取代传统的RAM芯片作为计算机的主存储器。因为这种晶体管在没有电源的情况下也能保持其状态，所以未来计算机将不需要重新启动，而是可以在中断后立即继续工作。

“目前有很多研究，但没有领先者可以取代优化的硅MOSFET。”

Heike Riel博士, IBM

另一个优点就是单原子晶体管比MOSFET需要更少的电压，每个开关操作只消耗大约1万分之一的能量，可以解决当今芯片的发热问题，高达100千兆赫的时钟频率也可以得到解决。Schimmel已经用两个新型晶体管制造出了第一个集成电路，在以后的系列产品中，可以使用半导体行业成熟工艺和电晶体工艺。这位KIT的科学家说:“这就像在原子尺度上给汽车车身镀锌一样。”

新型芯片和计算机架构

为不断发展的元件微型化替代方案，芯片架构的新方法也是可能出现的，例如进入第三维的途径：为了将更多功率集成到电路中，可以将几个电子层堆叠在一起，这个在今天的闪存存储器中已经得到了实践。未来，制造商还可以将一层化合物半导体（如InGaAs）应用在一层传统的硅晶体管。

这种架构适用于特殊的任务，例如特别快速的放大，用于光的发射或检测，以及作为可能的量子元件。许多专家都希望将这些额外的功能集成到芯片中，来弥补摩尔定律的消亡。据了解，他们正在采取一种新的方法：不是“更摩尔”（进一步小型化），而是“超过摩尔”（在同一芯片上结合数字和非数字功能）。

Heike Riel博士

存内计算

村内计算旨在消除普通计算机中计算单元和内存的空间分离，有望实现更高的计算能力和能量效率，也可以消除微处理器和RAM之间字节传输的耗时和耗能。例如，神经网络中的向量矩阵计算可以使用crossbar architecture（模拟而非数字）来执行。在这种方法中，两束水平和垂直的线交叉，每一束都作为神经网络的输入和输出。在它们的交点上，这些线通过表示神经网络的加权因子（“知识”）的非易失性存储器元件彼此连接。神经网络的输入值作为模拟电压值应用到水平线上，计算结果几乎可以在垂直线上即时获得，也可以以模拟形式获得，并且不需要任何数据传输。

在线交叉点处的非易失性存储器包括忆阻器，是一种新型电子元件，其电阻可以通过外部施加的电压而永久改变，并且可以与半导体工业中现有制造工艺相结合。根据应用的不同，忆阻器在神经网络中执行计算的速度可以提高十到一百倍，其能效也可以提高十到一千倍。此外，神经网络发挥主要作用的自动驾驶车辆也可以从这种性能和效率的改进中受益。这个例子表明，即使摩尔定律即将达到极限，电子产品性能的持续增长也远未结束。

MOSFET, FinFET and GAAFET

几十年来，MOSFET（左）一直是数字技术的主力开关，并通过不断小型化保持了摩尔定律的存在，栅极和源极之间的电压决定了从源极到漏极流经沟道的电流。在FinFET（中间）中，沟道具有鳍的形状，使得栅极可以在三个侧面上包围它，与MOSFET相比，改善了电流控制，在MOSFET中，栅极只能从上方作用于沟道。在GAAFET（右）中，栅极完全包围了硅纳米线的沟道，这是控制电流的最佳几何形状。

未来传统晶体管设计的替代品

与MOSFET不同，在TFET（左）中源极和漏极掺杂不同。它使用量子力学隧道效应：栅极和源极之间的电压决定了电荷载流子是否可以“隧穿”通过源极和漏极之间的能量势垒，以及电流是否可能流动。在CNFET（中）中，源极和漏极之间的沟道由碳纳米管组成，栅极-源极电压也决定了电流。在单原子晶体管（右）中，源极和栅极之间的电压移动单个原子，从而关闭或打开源极和漏极之间的电路（绿色/红色位置）。

摩尔定律

五十多年前，戈登•摩尔(Gordon Moore)在《电子学》(Electronics)杂志上做了一个引人注目的预测，当时还是仙童半导体研究主管、后来成为英特尔(Intel)联合创始人的他在1965年断言，未来每个芯片上的晶体管数量将每年翻一番。因此，早在1975年，一个小硅片上就可以容纳大约65000个这样的芯片。虽然“摩尔定律”在过去几年里不断被修改，但原则上被证明是正确的，并已成为半导体制造商的指导方针：直到今天，他们也一而再再而三成功地在短时间内使单位面积上的晶体管数量翻倍。然而未来这将不可能发生，芯片的更高性能必须通过其他方式来实现。

简而言之

MOSFET晶体管及其变种FinFET和GAAFET的进一步小型化很可能在未来几年达到其极限。为了使芯片在未来变得更加强大，科学家和工业界正在研究新的晶体管设计，如隧道场效应管，以及新的架构，如内存计算。

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