目前,制造先进芯片离不开晶体管,其核心在于垂直型栅极硅,原理是当设备开关开启时,电流就会通过该部位,然后让晶体管运转起来。但业界的共识认为,这种设计不可能永远用下去,一招包打天下,总会到了终结的那天。IBM 就开始着手探索新的设计,并把它命名为 Nanosheets,可能会在未来几年投入使用。而高通则似乎有着不同的想法。

  联合芯片制造行业的大佬 Applied Meterials、Synopsys,高通针对5种下一代技术的设计候选方案进行了模拟与分析,探讨的核心问题是,独立晶体管和完整的逻辑门(包含独立晶体管在内)的性能表现有何不同。

  结果发现,最后的“赢家”并非这5个候选方案中的任何一个,而是一款由高通工程师新设计的方案,叫做 NanoRings。

  “设备工程师或工艺工程师,只是对某些非常有限的特征进行了优化”,高通公司首席工程师 S.C.Song 解释说。举例而言,在设备这一维度上,重点在于晶体管的栅极能很好地控制电流通过它的通道。然而,当转变成完整的逻辑门而不是单个的晶体管时,其他方面变得更加重要。值得一提的是,Song 和他的团队发现,设备的寄生电容——在转换过程中由于存在非预期的电容器结构而丢失——是真正的问题。

  这就是为什么高通团队选择他们的纳米设计,而不是 IBM 的 Nanosheets。雷锋网了解到,高通将之称为 Nanoslabs。从侧面看, Nanoslabs 看起来像一堆两到三个长方形的硅板,每个平板被一个高k介电和一个金属栅极包围,栅极电压在硅中产生电场,从而使电流流过。

Nanoslabs 的晶体管结构包围着硅[粉色],金属栅极[蓝色]与高k介电的[紫色]绝缘,这种结构导致寄生电容会阻碍性能。  Nanoslabs 的晶体管结构包围着硅[粉色],金属栅极[蓝色]与高k介电的[紫色]绝缘,这种结构导致寄生电容会阻碍性能。

  用栅极电极完全包围着每个硅板,可以很好地控制电流的流动,但同时也引入了寄生电容,因为硅、绝缘子、金属、绝缘体、硅片之间的结构基本上是一对电容。

  雷锋网注意到,Nanorings 通过改变硅的形状来解决这一问题,并且不完全填充金属板之间的空隙。在氢中烘烤设备会使矩形板拉长为椭圆形。这样就把它们之间的空间掐住了,所以只有高k介电完全包围着它们。金属门不能完全绕着,所以电容就少了。然而,门的电场强度仍然足以抑制电流的流动。

纳米技术减少了寄生电容,因为它不能完全填充硅与金属之间的空间。纳米技术减少了寄生电容,因为它不能完全填充硅与金属之间的空间。

  高通公司工艺技术团队的副总裁 Chidi ChidambaRAM 表示,如果要把制程工艺降至7纳米及以下,电容缩放是最具挑战性的问题。尽管在这一模拟中取得了明显的胜利,但在未来的芯片中,晶体管的问题还远未解决。Song 和他的合作者计划用纳米材料继续测试电路和设备,他们还计划模拟更复杂的电路、系统,直到做出一部完整的手机。

最后测试的结果或许是消费者最关心——如果智能手机在纳米技术上运行,那么它将准确计算出智能手机在正常使用一天后的剩余电量。