台积电推出纳米片晶体管，英特尔展示了这类器件的发展潜力—IM电竞体育官方网站

来源：IEEE Spectrum

看到底部的台积电新型晶体管了吗？我也没看到。——台积电

台积电在旧金山举行的 IEEE 国际电子器件会议 (IEDM) 上介绍了其下一代晶体管技术。N2（即 2纳米）技术是这家半导体代工巨头首次涉足的新型晶体管架构，称为纳米片或环绕栅极。

三星拥有生产类似器件的工艺，英特尔和台积电预计均将在 2025 年开始生产。

与台积电目前最先进的工艺 N3（3纳米）相比，这项新技术可将速度提高15%，能效提高30%，同时将密度也提高15%。

台积电研发和先进技术副总裁 Geoffrey Yeap 在 IEDM上告诉工程师们，N2是“四年多的劳动成果”。当今的晶体管 FinFET 的核心是垂直硅鳍。纳米片或全栅晶体管则由一叠狭窄的硅带组成。

这种差异不仅可以更好地控制通过器件的电流，还允许工程师通过制作更宽或更窄的纳米片来生产更多种类的器件。FinFET 只能通过增加器件中的鳍片数量（例如具有一个、两个或三个鳍片的器件）才能提供这种多样性。但是纳米片为设计人员提供了介于两者之间的渐变选项，例如相当于 1.5 个鳍片或任何可能更适合特定逻辑电路的选项。

台积电的这项技术名为 Nanoflex，允许在同一芯片上构建具有不同纳米片宽度的不同逻辑单元。由窄器件制成的逻辑单元可能构成芯片上的一般逻辑，而具有更宽纳米片的逻辑单元能够驱动更大的电流并更快地切换，可构成 CPU 核心。

纳米片的灵活性对 SRAM（处理器的主要片上存储器）的影响尤其大。几代以来，这种由 6 个晶体管组成的关键电路的缩小速度一直不如其他逻辑电路快。但 N2 似乎打破了这种扩展停滞的局面，从而产生了 Geoffrey Yeap 所描述的迄今为止最密集的 SRAM 单元：每平方毫米 38 兆比特，比之前的技术 N3 提高了 11％。N3 的性能仅比其前代产品提升了 6%。“SRAM 获得了采用环栅技术的内在优势，”Geoffrey Yeap 说道。

未来的全栅晶体管

当台积电公布明年晶体管的细节时，英特尔则在研究业界能将其缩短多长时间。英特尔的答案是：比最初预想的要长。

英特尔元件研究小组的硅技术专家 Ashish Agrawal 告诉工程师们：“纳米片架构实际上是晶体管架构的终极前沿。”甚至未来的互补场效应晶体管 (CFET) 器件（可能在 2030 年代中期问世）也是由纳米片构成的。因此，研究人员了解它们的局限性非常重要，Ashish Agrawal说道。

“目前我们还没有遇到瓶颈。这是可行的，这就是证据……我们正在制造一种性能非常出色的晶体管”

—Sanjay Natarajan, 英特尔

英特尔证明，栅极长度为 6 纳米的晶体管性能良好。——英特尔

英特尔探索了一个关键的缩放因素——栅极长度，即晶体管源极和漏极之间栅极覆盖的距离。栅极控制着流过器件的电流。缩小栅极长度对于减少标准逻辑电路中器件与器件之间的最小距离至关重要，由于历史原因，这种距离称为接触多晶硅间距 (CPP)。

Ashish Agrawal 表示：“CPP 微调主要通过栅极长度来实现，但预计在 10 纳米栅极长度时就会停滞。”人们一直认为，10 纳米的栅极长度太短，不说其他问题，当器件处于关闭时，过多的电流会泄漏到器件中。

“因此我们考虑将工艺推至 10 纳米以下，”Ashish Agrawal说。英特尔修改了传统的环绕栅极结构，因此器件只有一个纳米片，器件开启时电流会通过该纳米片。

通过减薄纳米片并修改其周围的材料，该团队成功生产出性能可接受的器件，其栅极长度仅为 6 纳米，纳米片厚度仅为 3 纳米。

最终，研究人员预计硅栅全覆盖器件将达到微缩极限，因此英特尔和其他公司的研究人员一直在努力用二硫化钼等二维半导体取代纳米片中的硅。但 6 纳米的成果意味着可能暂时不再需要这些二维半导体。

英特尔代工厂高级副总裁兼技术研究总经理Sanjay Natarajan表示：“目前我们还没有遇到瓶颈。这是可行的，这就是证据……我们正在制造一种性能非常出色的晶体管”，沟道长度为 6 纳米。

原文链接：

https://spectrum.ieee.org/tsmc-n2

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