2019年与5纳米——IBM的时空竞赛

徐翰

最近许多年以来,半导体业界越来越担心人类是否有能力将硅晶体管变得更小,以便延续神奇的摩尔定律,维持计算机不断增长的计算能力需求。英特尔等业界巨头的技术人员估计,最早到2020年降低硅晶体管的方法就将不再奏效,摩尔定律将完全失效。即使英特尔(Intel)最新的晶体管已经小到14纳米,寻找可行替代解决方案的努力一直没有停止,而其中一种思路是采用全新的材料替代硅制备晶体管,而在这些材料中被寄予厚望的就有碳纳米管(CNT)。

碳纳米管是1991年由日本物理学家在碳纤维中发现的,碳纳米管是一种管状的碳分子,碳原子相互之间组成蜂窝骨架,管径只有纳米尺度,因此得名。由于其纳米尺度和分子结构,碳纳米管表现出优异的物理性能,尤其是电学和力学性能。1998年IBM的研究院制造出了第一个可用的碳纳米晶体管。

去年9月,斯坦福大学的团队终于发表了一篇Nature论文,宣布制造出了第一台碳纳米管计算机Cedric,这款碳纳米管处理器由长度在10-200纳米之间的178个晶体管组成,团队成功运行了一个多任务切换和追踪软件,计算机获取了数据并将数据传到外部存储中。

7.2图一
图:CNT计算机结果 (Nature)

不过斯坦福团队的碳纳米管计算能力仅仅与Intel 4004相当,要知道那可是英特尔第一款晶体管,发布于1971年;这一比较难免让人怀疑碳纳米管的前景,毕竟人们很难再等上数十年去获得更好的晶体管和计算机。除此之外,碳纳米管的生长方向造成的杂乱结构以及金属组分的存在也使得短路担忧被提了出来,这一点团队利用Philip Wong的生产方法和保护层进行了改善,并且在金属加热、氧化和分解后,其余步骤都可以借助硅处理标准设备完成。但问题远不止如此,Durham的纳米电子学专家就认为目前的碳纳米管数量比起微处理器上动辄上千万的数量还是少太多了,速度也慢多了,但电压只是1/5,这样的能耗显得太高。不过支持者认为使用工业界的设备替代斯坦福有限的设备后结果将会好不少。另外,团队也承认10纳米的尺度不比英特尔14纳米的硅纳米管要好多少,这一点只能寄希望于制备技术的改善,毕竟未来要构造复杂电路,缩小尺寸只是万里长征第一步。

自1998年以来,IBM公司一直是致力于碳纳米管技术的主要企业。目前,IBM的主要项目目标是2020年后替代硅晶体管。根据ITRS测算,到2019年晶体管的大小必须要达到5纳米,才能使得计算机芯片微小化的过程延续下去,2019年将是半导体和计算机芯片行业的一个节点。而IBM认为硅纳米管无法做到,碳纳米管是极有希望的技术路径。

最近IBM也制造出了具有10000个碳纳米管的芯片,比斯坦福团队提升了两个数量级,目前IBM团队也在致力于改善设计,以便能够在硅晶圆片上制备碳晶体管,并只对现有制造技术上做微小改进。IBM的模拟过程表明,设计技术必须使得碳纳米管微处理器的速度达到硅材料的5倍。IBM的团队目前从工业供应商处买来碳纳米管块,利用改进的制药业筛选蛋白质常用的设备选出具有适合晶体管性质的碳纳米管,并用电流分离出半导体纳米管和导电纳米管,团队采用了6条1.4×30nm的碳纳米管间隔约8nm平行排列制成的晶体管,两端嵌入电极以供给电流,中部留下10nm左右长度与其下面的第三个电极垂直,实现1/0开关功能。

7.2图二

不过,目前的技术还无法让碳纳米管之间靠得更近,未来寄希望于大规模量产的自组织技术。从去年的斯坦福到今年的IBM,碳纳米管的技术竞赛已经开始加速,但没人能够保证这项技术的成功,目前的成功也还都局限于实验室。

2019年,5纳米,IBM为首的碳纳米管投资者需要加速与时间、空间同时赛跑。