More than Moore的探索

来源：半导体行业观察内容（ID：icbank）

编译：porsche

1947年12月16日，现代电子学在新泽西州 Murray Hill物理学家贝尔实验室诞生了Walter Brattain 晶体管首次成功使用临时半导体元件来放大电压。这也是第一种替代笨重、不可靠、能耗高的真空管的方法。从外观上看，Brattain实验室装置由锗板、塑料三角形、金箔和回形针组成，与现代芯片几乎没有共同之处——但它确实创造了一个个人电脑、智能手机和自广汽车的时代。

这种新的电子元件可以用作放大器和开关，并与电阻和电容等其他元件作为集成电路安装在单个晶圆上。在接下来的几十年里，半导体公司成功地使电子元件越来越小，并在同一表面容纳越来越多的元件。早在1965年，戈登·摩尔(Gordon Moore)预计单位面积晶体管数量将呈指数增长。

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，但现在它即将达到极限。因为验证了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医生说他是瑞士Rüschlikon IBM研究中心的IBM这就是为什么制造商首先用所谓的高k材料代替二氧化硅作为晶体管的绝缘材料，同时保持相同MOSFET几何形状，因为只有这样才能产生45nm芯片。”

即便如此，摩尔定律也只能持续几年。在这种情况下，晶圆制造商在2010年上半年开始在较小的组件上使用新的晶体管架构，即FinFET。这种晶体管在源极和漏极之间的导电通道形状像鳍，由栅极封闭在几个侧面。Riel说:这样更容易控制晶体管中的电流。我们使用的22nm FinFET，现已成为集成电路的标准装置。”

GAAFET晶体管

现在，新型晶体管也出现了。从5nm开始，GAAFET（全栅FET）在接管芯片中工作。Riel解释说：“在GAAFET在中间，源极和漏极之间的导电通道由几条平行的硅纳米线组成，每条纳米线都被栅极完全包围。这不仅是控制电流的最佳几何形状，也节省了芯片上的空间，因为晶体管沟的纳米线结构相互叠加。汽车应用在未来也将受益GAAFET等技术的发展，新的，强大的HCPs无论是许多分散控制单元的继承者，还是自动驾驶的特殊处理器，都依赖于计算能力高的芯片。但从长远来看，即使是GAAFET摩尔定律也无法挽救:3nm之后，设备将变得紧凑，并在未来三到四年内达到极限。

KIT托马斯纳米技术研究所所长托马斯·席梅尔教授说：一个巧妙的改进阶段即将结束。到目前为止，我们总能找到技术解决方案，进一步小化经典晶体管——但现在芯片已经达到了原子尺寸。由于量子力学隧道效应，电子可以通过绝缘体，使元件毫无用处。与经典物理学相反，即使电子实际上没有足够的能量，它仍然可以克服势垒。但即使外来原子在生产过程中引入高纯硅，即掺杂过程，也不能在较小的结构中发挥作用。

目前还没有明确的新型晶体管

因此，人们开始寻找新够进一步提高未来电子电路性能的新型晶体管。IBM研究人员Riel列出一系列MOSFET替代品包括碳纳米管场效应晶体管（CNFET）晶体管和隧道场效应（TFET）。在CNFET电流通过小碳管。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生产。TFET与传统晶体管类似，但量子力学隧道效应用于开关，节能快捷。CNFET、TFET或者任何其他赢得比赛的方法都是完全开放的。Riel有很多研究，但没有明确的领导者来取代优化硅MOSFET。”

因此，KIT研究人员Schimmel赌注单原子晶体管的长期发展：在这种晶体管中，控制电极移动一个原子，可以关闭两端之间的小间隙，使电流流动。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他和他的团队在2004年开发了第一个单原子晶体管，它不仅是一个开关，也是一个非易失性存储器，可以取代传统RAM芯片是计算机的主存储器。由于这种晶体管可以在没有电源的情况下保持其状态，计算机在中断后可以立即继续工作，而无需重新启动。

目前有很多研究，但没有领导者能取代优化硅MOSFET。”

Heike Riel博士, IBM

另一个优点是单原子晶体管比MOSFET需要更少的电压，每个开关只消耗约1万分之一的能量，可以解决当今芯片的加热问题，高达100千兆赫的时钟频率。Schimmel第一个集成电路已经用两个新的晶体管制成，半导体行业的成熟工艺和电晶体工艺可以用于未来的系列产品。这位KIT这就像在原子尺度上镀锌汽车车身一样。”

新芯片和计算机架构

芯片架构作为一种不断发展的元件微型替代方案，也可能出现新的芯片架构方法，如进入第三维方法：为了将更多的功率集成到电路中，可以将几个电子层堆叠在一起，这已经在今天的闪存存储器中实践。在未来，制造商还可以使用一层化合物半导体（如InGaAs）传统硅晶体管应用于一层。

该架构适用于特殊任务，如特殊的快速放大，用于光的发射或检测，并作为可能的量子元件。许多专家希望将这些额外的功能集成到芯片中，以弥补摩尔定律的死亡。据了解，他们正在采取一种新的方法：不是更多的摩尔（进一步小型化），而是超过摩尔（将数字和非数字功能与同一芯片相结合）。

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与内存的空间分离，有望实现更高的计算能力和能量效率，消除微处理器和RAM字节传输之间的耗时和耗能。例如，可以使用神经网络中的向量矩阵计算crossbar architecture(模拟而非数字)执行。在这种方法中，两束水平和垂直线交叉，每束作为神经网络的输入和输出。这些线通过表示神经网络加权因子(知识)的非易失性存储器元件相互连接。神经网络的输入值作为模拟电压值应用于水平线。计算结果几乎可以在垂直线或模拟形式上立即获得，无需任何数据传输。

在线交叉点的非易失性存储器包括记忆电阻器，是一种新型的电子元件，其电阻可以通过外部电压永久改变，并可以与半导体工业中现有的制造工艺相结合。根据不同的应用，神经网络中记忆阻器的计算速度可以提高10到100倍，其能效也可以提高10到1000倍。此外，在神经网络中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提高中受益。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要开关，摩尔定律的存在通过不断小型化得以维持。栅极和源极之间的电压决定了从源极到漏极流经通道的电流。在FinFET(中间)沟道有鳍的形状，使栅极能在三个侧面包围MOSFET相比之下，电流控制得到了改进MOSFET在中间，栅极只能从上面作用于沟道。在GAAFET(右)格栅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)中源极与漏极不同。它利用量子力学隧道效应：栅极与源极之间的电压决定了电荷载流子是否能隧道通过源极与漏极之间的能量势垒，以及电流是否能流动。在CNFET(中)源极与漏极之间的沟通由碳纳米管组成，栅极-源极电压也决定电流。在单原子晶体管(右)中，源极与栅极之间的电压移动单个原子，从而关闭或打开源极与漏极之间的电路(绿色/红色位置)。

摩尔定律

五十多年前，戈登摩尔(Gordon Moore)电子学(Electronics)该杂志做出了引人注目的预测，当时是仙女半导体研究主管，后来成为英特尔(Intel)他是联合创始人，他在1965年断言，未来每个芯片上的晶体管数量翻一番。因此，早在1975年，一个小硅片就能容纳6.5万个这样的芯片。虽然摩尔定律在过去几年中不断修改，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，它们在短时间内成功地将单位面积的晶体管数量翻倍。然而，这在未来是不可能的，芯片的更高性能必须以其他方式实现。

简而言之

MOSFET晶体管及其变种FinFET和GAAFET进一步的小型化很可能在未来几年达到极限。科学家和工业界正在研究新的晶体管设计，如隧道场效应管和新的结构，如内存计算，以使芯片在未来更强大。

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