早在2014年，随着“摩尔定律将死”的观点在芯片行业四起，雄心勃勃的IBM耗资30亿美元，启动了一个名为“7nm and Beyond”的项目，期望通过为期5年的研究，看看在芯片尺寸不断缩小的物理效应作用下，未来的计算技术将如何发展。“在实现设备扩展和性能差异化的过程中，都无法停止对新设备架构和新材料的探索。”IBM高级逻辑和存储技术研究、半导体和AI硬件部门主管Huiming Bu谈到，虽然摩尔定律已无法很好地指导芯片技术的发展，但在计算领域，创新仍是发展的必经之路。其中，“7nm and Beyond”项目就能够满足计算领域不断增长的创新需求。
01芯片迈向7nm的关键：EUV光刻技术2015年，在整个芯片行业都处于14nm向10nm制程工艺转型的时期，IBM宣布了全球首款7nm测试芯片，由格罗方德、三星和纽约州立大学理工学院纳米工程合作研发。当时，他们首次在晶体管中加入了一种名为“硅锗”（简称SiGe）的材料，以替代原有的纯硅，同时还采用了荷兰光刻机巨头ASML的极紫外光刻（EUV）技术。在芯片制造过程中，光刻是一种通过利用光学和化学反应原理，将芯片电路图转移到晶圆表面的工艺技术。一般的光刻工艺需要经过清洗烘干、旋涂光刻胶、对准曝光和刻蚀等数百道工序，占整个芯片制造环节的50%左右。EUV技术则是一种采用波长13.5nm的极紫外光作为光源的光刻技术，对光照强度、能耗效率和精度等都有极高要求。在2015年，市场上主流的光刻技术为波长248nm的KrF光刻和波长193nm的ArF光刻，均采用浸没式DUV光刻机，而ASML的EUV光刻机也才刚进入商用阶段不久。据了解，与当时的10nm工艺芯片相比，IBM的7nm芯片面积缩小将近一半，可容纳超200亿个晶体管，效能也提升了50%。在Huiming Bu看来，EUV不仅是推进芯片实现7nm节点，并超5nm制程不断发展的的关键技术。Huiming Bu谈到，回望2014年到2015年，整个半导体行业对EUV技术的实际可行性都存在着很大疑问，但现在EUV技术已成为推动芯片先进制程发展的主流技术。“当IBM基于EUV技术交付第一款7nm芯片时，它帮助我们建立了行业使用EUV制造的动力和信心。”他说。但IBM的野心不止于7nm，而是要超越7nm。
02摩尔定律发展的“最后一步”：纳米片晶体管在IBM看来，纳米片晶体管（Nanometers transistor）将是实现超越FinFET（鳍式场效应晶体管）的重要基础元素，亦是FinFET架构的替代品，有望实现芯片制程从7nm到5nm、3nm节点的过渡。也有不少行业人士认为，纳米片晶体管很可能是摩尔定律发展的最后一步。为此，IBM研究人员研发了首批碳纳米晶体管。何为纳米片晶体管？简单地说，纳米片场效应晶体管能够使电流流经多叠层硅片，这些硅片完全被晶体管栅极所环绕。该设计大大减少了关闭状态下可能泄漏的电流量，让开关在打开时可使用更多电流来驱动器件。“三年前，业界对FinFET以外的半导体结构提出疑问；三年后，整个行业都在支持纳米片晶体管技术，认为它将是继FinFET后的下一代半导体结构。”Huiming Bu说。其中，三星就打算在研发3nm制程节点时，引入纳米片晶体管技术。
03布线的创新点：扩大对铜线的使用除了对芯片架构的创新应用外，如何在芯片设计阶段对布线进行重新设计，也是IBM研究人员研发的方向之一。经过“7nm and Beyond”项目研究，IBM研究人员对如何在这些晶体管和开关上进行布线有了一定的见解。“我们的创新之一就是尽可能地增加对铜线的使用。”IBM研究员Daniel Edelstein谈到，其中最困难的部分在于对极其微小的沟槽进行图案化，并用铜进行填充，使其没有缺陷。实际上，现阶段铜的使用在晶体管布线中仍存在挑战，但Edelstein认为，在未来短时间内，行业将不会从铜迁移到其他更特殊的材料。“因为就目前的生产而言，铜的使用肯定还没有达到极限。”他说。
04AI推动异构集成发展，新兴存储器取得突破对IBM来说，芯片尺寸、架构和材料驱动了“7nm and Beyond”项目的许多创新发展，但Edelstein和Huiming Bu都注意到，人工智能（AI）也在未来计算技术的发展中扮演着关键的角色。“随着AI、大脑启发式计算和其他非数字计算的出现，我们开始在研究层面开发其他设备，尤其是新兴的存储设备。”Edelstein谈到，如相变存储器（PCM）、忆阻器（Memristor），这些已被行业认为是模拟计算设备。IBM认为，这些新存储设备的出现，让人们重新思考传统数据存储之外的潜在应用。目前，IBM研究人员正在思考和开发磁阻式随机存取内存（MRAM）的新应用，而IBM从30年前MRAM首次面世以来就开始投入研究。“如今，MRAM终于取得一定的突破。”Edelstein说，它不仅可以实现制造，还可以满足与静态随机存取存储器（SRAM）在系统缓存竞争方面所需的各种要求。2019年，半导体和显示设备制造商应用材料为客户提供的相关解决方案，就直接证明了MRAM和其他非易失性存储器（包括RRAM和PCM）能够直接嵌入处理器中。“将各种组件集成到统一计算系统的需求，正开始推动一个异构集成的全新世界。”在Huiming Bu看来，构建异构架构系统不仅将成为未来计算发展的关键，亦是受AI需求驱动下一种新的行业创新策略。
05结语：IBM为追求高效计算性能攻克先进制程技术作为全球重要的信息技术公司，IBM“7nm and Beyond”项目对新设备、新材料和新计算架构的探索，是它在不断追求实现更高效计算性能过程中，所迈出的重要一步。随着如今芯片制程技术发展到5nm，并不断往更精细、更先进的制程推进，我们期待IBM在未来能够为半导体行业带来更多的创新思路和惊喜。
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