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芯片上的晶体管为什么越做越小,小尺寸背后的意义是什么?

时间:2022-04-12 10:05:12来源:

导语:​如果将中央处理器称为一台计算机的心脏,那么芯片就是这具身体的灵魂,几乎决定了计算机的全部系统性能。晶体管则更是芯片的核心元器件,其更小的栅极尺寸,意味着芯片上可以集成更多的晶体管,并带来性能飞跃性的提升。

  在科技领域,很多突破都与“多”和“大”有关,但是在集成电路领域,有一个部件正在不断地往“小”的方向发展,那就是晶体管的栅极尺寸。

  如果将中央处理器称为一台计算机的心脏,那么芯片就是这具身体的灵魂,几乎决定了计算机的全部系统性能。晶体管则更是芯片的核心元器件,其更小的栅极尺寸,意味着芯片上可以集成更多的晶体管,并带来性能飞跃性的提升。

  1、史上栅极长度最小晶体管

  近日,清华大学集成电路学院任天令教授团队在国际学术期刊《自然》上在线发表题为《具有亚1纳米栅极长度的垂直硫化钼晶体管》的论文,在小尺寸晶体管研究方面取得重要进展,首次实现了具有亚1纳米栅极长度且具有良好的电学性能的晶体管。

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  在过去10多年间,任天令团队长期致力于二维材料器件技术研究,从材料、器件结构、工艺、系统集成等多层次实现创新突破。

  集成电路领域有一个著名定律叫“摩尔定律”。戈登·摩尔曾经在1965年提出,集成电路芯片上可容纳的晶体管数目,每隔18-24个月便会增加一倍,微处理器的性能提高一倍,或价格下降一半。

  过去几十年晶体管的栅极尺寸在摩尔定律的推动下不断微缩,然而近年来,随着晶体管的物理尺寸进入纳米尺度,电子迁移率降低、漏电流增大、静态功耗增大等问题层出不穷,使得新结构和新材料的开发迫在眉睫。

  “目前主流工业界晶体管的栅极尺寸在12纳米以上,例如我们常用的手机。但如果晶体管关键尺寸可以进一步微缩,我们的电子产品就可以更便于携带,功能更丰富。”任天令说。

  学术界在极短栅长晶体管方面作出了探索,然而目前国际上研究团队的极限也仅能实现栅长为1纳米的平面硫化钼晶体管。“晶体管是学术界和产业界生产芯片最基本的出发点,如果能把这个最小的基本单元做好的话,毫无疑问能给一系列外延功能提供更好的支持。”任天令告诉中青报·中青网记者,进一步突破1纳米以下栅长晶体管的瓶颈,成了团队下决心要解决的重点问题。

  其实早在2018年,任天令团队就提出了一个想法,希望用少层或者单层石墨烯的边缘作为晶体管栅极来实现新型的晶体管。在实验前期,由于石墨烯二维材料特殊的物理性质,团队需要在整体器件工艺上进一步优化,以尽量在实验室条件下减少工艺流程,增加其可靠性。

  然而这个鲜有科研团队涉足的领域,由于缺乏先前实验参照及预期中的不可知性,团队遇到了一道道难关,哪怕是其中一个看似简单的制造工艺,都需要团队长时间的反复打磨。

  “其实我们走了非常多弯路,经历过大大小小的失败,实验到凌晨对团队成员而言也是家常便饭。”任天令说。

  回忆起这段跌跌撞撞的摸索经历,任天令反复提起两个词,“持之以恒”和“团队协作”。

  在团队成员夜以继日的努力下,他们巧妙利用石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度和优异的导电性能作为栅极,通过石墨烯侧向电场来控制垂直的MoS2沟道的开关,终于实现最小等效物理栅长为0.34纳米。团队成功推动了摩尔定律进一步发展到亚1纳米级别,同时为二维薄膜在未来集成电路的应用提供了参考依据。

  2、晶体管越小性能越好

  在过去的一个世纪中,电子技术得到了飞速发展。在1920年,当是最好的中波收音机内包含有多个中真空管、很多体积硕大的电感、电容以及电阻,几十米长的电线作为接收天线,用于供电的电池组的体积占据了很大的空间。

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  如今,可以收听十几个电台的收音机可以轻松装在你的口袋里,辅助的功能也极其丰富。但尺寸的减小并不仅仅为了便于携带:而是实现我们期望高性能的关键因素。

  元器件尺寸的减小的最为明显的好处就是可以在同样体积内实现更多的功能,这对于数字电路尤其关键:更多的元器件,使得你可以在相同的时间内做更多的事情。比如一个64位的处理器,理论上可以在同样的时钟频率下完成8位处理器的八倍的信息处理,为实现这一点,它也同样需要八倍的电子元件:包括寄存器、累加器、总线宽度以及其他部件都会有八倍数量的提升。所以你需要有一个八倍尺寸的芯片,或者组成电路的元器件的尺寸小八倍。

  对于存储器也是相同的:更小的电子元器件可以在相同的体积存储更多的信息。现在的显示器的像素是由薄膜三极管制作,所以减少期间的尺寸可以提高显示器的分辨率。然而除此之外还有更加关键优势来自于更小的晶体管,那就是它们的性能也随着体积的减小而得更显著的提高。

  未来是啥样?

  现在技术杂志中经常反复出现的说法就是摩尔定理的失效,或不断给出这些预测出错的原因。但事实上,半导体中的三巨头,英特尔、三星和台积电仍然在努力将更多的器件压缩进方寸之中,并筹划未来更多芯片改进工艺。虽然比不上20年前改进步伐那么显著,但晶体管尺寸的降低一如既往。

  但对于其它分立器件我们好像到了它们的自然极限:尺寸的降低非但不能带了性能的提高,而且也超出了大多数应用场合的需求。

  似乎对于分立器件来说,并没有什么摩尔定律,如果有的话,我更愿看到有谁能完成焊接这些标贴器件的挑战。

标签: 芯片

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