IBM造出5納米晶片，智慧型手機充電五分鐘，通話兩三天不是夢

人類對矽的應用還沒有達到極限。

近日，IBM領導的一群研究人員公布了一種突破性電晶體的詳細設計方案，它能使處理器延續「摩爾定律」，變得更小、更便宜。

更讓人興奮的是，他們做到這一點靠的不是碳納米管或者某種其他的理論方法，而是依靠一種實用的新工藝，在幾年內就可以達到大規模量產的要求。

這種新型電晶體應該也能方便、及時地應用於幾乎所有大型科技公司都紛紛試水的自動駕駛汽車、機載人工智慧和5G傳感器，但這一點還不確定。

5納米晶片

幾十年來，半導體行業痴迷於小型化，它們這麼做有充分的理由。

晶片上集成的電晶體越多，運行速度就越快，能效就越高，成本也就越低。

1965年，英特爾聯合創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）發現，晶片上集成的電晶體數量每年翻一番，於是提出了著名的摩爾定律。

1975年，摩爾把該定律改為每兩年翻一番。

雖然現在已經達不到那種速度，但電晶體仍然在不斷縮小。

要做到這一點，就離不開創新。

上一次重大突破出現在2009年，當時研究人員公布了一種新型電晶體的設計方案，名為鰭式場效應電晶體（FinFET）。

2012年，FinFET電晶體首次投產，為半導體行業注入了亟需的動力，成功地運用22納米工藝製造出了處理器。

FinFET是革命性的一步，也是數十年來電晶體結構的第一次重大改變。

其關鍵點是利用3D結構而不是以往的2D「平面」結構來控制電流。

「基本上來說，FinFET結構是一個矩形，三面都被閘門包圍。

」IBM研究院半導體研究副總裁穆克什·哈雷（Mukesh Khare）說。

把電晶體想像成一個開關，對閘門施以不同的電壓會「打開」或「關閉」電晶體。

三面都被閘門包圍可以使「打開」狀態下的電流量最大化，從而提升性能，並使「關閉」狀態下的漏電量最小化，從而改善能效。

但短短五年後，這些好處即將枯竭。

「FinFET的問題是，它已經沒什麼潛力了。

」半導體市場調研公司VLSI Research的執行長丹·哈奇森（Dan Hutcheson）說。

雖然FinFET撐起了當今最先進的10納米工藝晶片，應該也可以用於7納米工藝，但其潛力到此為止。

「要使電晶體縮小至5納米，我們必須採用不同的結構。

」哈奇森說。

這時，IBM登場了。

與FinFET的垂直鰭式結構不同，IBM與研發夥伴GlobalFoundries以及三星，共同發明了水平堆疊式矽納米板，使電晶體的四面都被閘門包圍。

「你可以想像成把FinFET轉向一側，彼此堆疊在一起。

」哈雷說。

在這種結構中，控制電信號的開關大小只有兩三個DNA鏈那麼寬。

「這是個巨大的突破。

」哈奇森說，「如果能讓電晶體更小，就可以在同樣大的晶片上集成更多的電晶體，這意味著同樣大的晶片具有更強的計算能力。

」 在指甲蓋大小的晶片上，7納米工藝可集成200億個電晶體，而5納米工藝可集成300億個。

IBM認為，使用5納米工藝後，同等功耗下的性能將提升40%，而同等性能下，功耗則會降低75%。

恰逢其時

時機再好不過。

採用這種新結構的處理器最早要到2019年才面市，但這剛好趕上業內人士估計自動駕駛汽車和5G等新發明被廣泛採用的時間點。

沒有5納米工藝，這些新發明將無法大規模普及。

「5G、人工智慧和自動駕駛汽車是發展趨勢，它們都非常依賴更強的計算能力，而要想提高計算能力，只能靠這種技術。

」哈奇森說，「否則，我們就會止步不前。

」

以自動駕駛汽車為例。

它們現在可能很好用，但需要價值數萬美元的晶片才能正常運轉，這對主流產品來說是一筆無法負擔的額外成本，而5納米工藝可以大幅降低這些成本。

再比如，始終在線的物聯網傳感器，它們會在5G世界裡不斷收集數據。

或者，再想想智慧型手機，同樣大小的電池，充一次電可以用兩三天而不是一天。

此外，還有很多你現在想像不到的好處。

「摩爾定律帶來的經濟價值是不容置疑的。

這就是5納米工藝這樣的創新發揮作用的地方。

電晶體的縮小不是依靠傳統方法來實現，而是採用新的結構。

」哈雷說。

這些技術的廣泛應用還要等到若干年之後。

它們的成功既需要技術的進步，也離不開監管的進步。

不過至少，當這兩點成為現實的時候，那些幫助它們正常運轉的微小晶片已然是觸手可及。

翻譯：于波

來源：Wired

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