1nm芯片争霸“暗战”开打

推广网 · 发表于 2021-12-16 11:53:04

本帖最后由推广网于 2021-12-16 11:57 编辑

半导体制程已经进展到了3nm，今年开始试产，明年就将实现量产，之后就将向2nm和1nm进发。相对于2nm，目前的1nm工艺技术完全处于研发探索阶段，还没有落地的技术和产能规划，也正是因为如此，1nm技术具有更多的想象和拓展空间，全球的产学研各界都在进行着相关工艺和材料的研究。

上周，IBM和三星公布了一种在芯片上垂直堆叠晶体管的新设计，被称为垂直传输场效应晶体管（Vertical Transport Field Effect Transistors，VTFET）。当前的处理器和SoC，晶体管平放在硅表面上，然后电流从一侧流向另一侧。相比之下，VTFET彼此垂直，电流垂直流动。该技术有望突破1nm制程工艺瓶颈。

IBM和三星表示，这种设计有两个优点。首先，它可以绕过许多性能限制，将摩尔定律扩展到IBM当前的纳米片技术之外，更重要的是，由于电流更大，该设计减少了能源浪费，他们估计VTFET将使处理器的速度比采用 FinFET 晶体管设计的芯片快两倍或功耗降低 85%。IBM和三星声称，这一工艺技术有望允许手机一次充电使用整整一周。他们表示，这一工艺还可以使某些能源密集型任务（包括加密采矿）更加节能，因此对环境的影响较小。

IBM 和三星尚未透露他们计划何时将该工艺技术商业化。他们并不是唯一一家试图突破 1 nm瓶颈的公司。今年5月，台积电与合作伙伴发布了1nm工艺技术路径；7 月，英特尔表示，其目标是在 2024 年之前完成埃级芯片的设计。该公司计划使用其新的“英特尔 20A”制程节点和 RibbonFET 晶体管来实现这一目标。

一、台积电依然是先锋

近年来，科学界一直在寻找可以替代硅的二维材料，挑战1nm以下的制程工艺，但至今未能解决二维材料的高阻、低电流问题。

近些年，在先进制程的研发和商业化方面，台积电一直是行业先锋。

今年5月，台积电、中国台湾大学（NTU）和麻省理工学院（MIT）联合宣布，1nm芯片研发取得重大突破。

该突破主要体现在材料方面，使用半金属铋（Bi）作为二维（2D）材料的接触电极，可以大大降低电阻并增加电流。这可以实现接近现有半导体尺寸物理限制的能源效率。该消息是在IBM早些时候宣布其2nm芯片之后发布的。

每一种新的工艺技术都会带来新的挑战，在这种情况下，关键挑战是找到合适的晶体管结构和材料。同时，为晶体管供电的晶体管触点对其性能至关重要。半导体工艺技术的进一步小型化增加了接触电阻，从而限制了它们的性能。因此，芯片制造商需要找到一种电阻非常低、可以传输大电流并且可以用于量产的触点材料。

使用半金属铋作为晶体管的接触电极可以大大降低电阻并增加电流。目前，台积电使用钨互连晶体管，而英特尔使用钴互连。两者都有其优点，并且都需要特定的设备和工具。

为了使用半金属铋作为晶体管的接触电极，研究人员不得不使用氦离子束（HIB）光刻系统并设计一种“简单的沉积工艺”。这种工艺仅用于研发生产线，因此还没有完全准备好进行大规模生产。

目前，台积电的 1nm 制程节点仍处于探索阶段，工厂正在尝试各种选项，也不能保证未来量产时确定使用半金属铋。

1nm芯片争霸“暗战”开打

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