让计算机芯片更强大的秘诀是什么？垂直发展。

现代计算机和智能手机的性能不断增强，每款机型都变得更快、更高效，这很大程度上是因为驱动它们的微型芯片以前所未有的速度发展。正如摩尔定律所预测的那样，电子驱动芯片可容纳的晶体管数量应该每两年翻一番。晶体管越多意味着芯片速度越快，能够执行更多的计算，但如果不改变芯片尺寸就能实现这一点，计算机工程师们就会担心空间不足。

但 IBM 采取了一种新方法：通过旋转单个晶体管（控制或放大电信号的芯片的基本构件）使其垂直放置而不是水平放置于芯片上，工程师可以在给定的空间内装入更多晶体管。

IBM 在本周的新闻稿中表示：“从历史上看，晶体管是平放在半导体表面上的，电流会横向或左右流动。”IBM 还表示，他们明天还将在 2021 年国际电子设备会议上展示一种新的芯片架构设计。“借助新的垂直传输场效应晶体管 (VTFET)，IBM 和三星成功实现了垂直于芯片表面构建的晶体管，电流垂直或上下流动。”

要理解为什么这对半导体技术来说可能是一件大事，首先有必要先关注一下单个晶体管。IBM 研究员 Hemanth Jagannathan 表示：“任何硬件技术的 DNA 都是晶体管。”数十亿个晶体管可以覆盖硅晶片的表面，这些晶片层叠在一起形成一个微芯片。

电子产品中常见的典型标准晶体管有三个端子：源极、栅极、漏极。电流（电子流）从源极流向漏极。栅极控制电流的流动并决定晶体管的状态。当电压施加到栅极时，晶体管导通并处于状态 1。当源极和漏极之间没有电流流动时，状态为 0。此外，两个独立的晶体管之间需要一个区域来隔离它们并防止它们相互干扰，这是通过虚拟栅极实现的。

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然后有一个概念叫做“接触栅极间距”，即安装所有晶体管元件所需的物理距离。“这些是非常基本的结构要求，你可以想象两堵硬墙，你必须在其中安装栅极、间隔物和接触区域，”贾甘纳坦说。墙壁不断靠近，但到了一定程度，它们就不能再靠近了，否则就会牺牲功能。

先前的晶体管创新，如 FinFET 和纳米片，将栅极、源极和漏极放在同一平面上。采用垂直设计，这些结构基本上在晶圆上堆叠在一起。此外，垂直晶体管不需要虚拟栅极，而是使用一种称为浅沟槽隔离的技术，从而节省空间。

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他们还改变了电流的方向，电流仍然从源极流向漏极，但现在垂直于晶圆表面，而不是平行。

“通过进行这种改变，你现在可以独立地改变栅极长度、间隔厚度和接触点，”Jagannathan 说道。“因为你能够垂直移动并将这些晶体管更紧密地封装在一起，所以你现在可以在给定的面积上获得更多的晶体管。”

IBM 混合云技术研究副总裁卜惠明估计，与当今最好的 3D 晶体管技术（如 FinFET）相比，VTFET 可以让他们在相同尺寸的芯片中塞入多达五倍的晶体管。这在芯片尺寸固定的应用中非常有用。

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在测试中，与同等规模的 FinFET 器件相比，IBM 声称电容和电阻减少了 50%，功耗降低了 85%。该团队将继续观察性能指标，例如器件中的电阻（决定电流流入和流出难易程度）、晶体管的关闭和打开速度以及源极和漏极之间的隔离度。

过去 80 年来，晶体管设计经历了一次又一次的革新。FinFET 模型改进了 20 世纪 60 年代的 MOSFET 设计。几年前，一种称为纳米片的架构出现，晶体管周围有一个栅极，使器件的漏电现象更少。

“半导体创新非常困难，”Bu 说道，“需要花很多年的时间。”

例如，他指出，高 K 金属栅极花了 16 年时间才进入制造阶段。另一个例子是 FinFET，业界花了大约 14 年时间才进入制造阶段。许多团体仍在研究的 Nanosheet 尚未进入制造阶段，但预计在未来两年内会进入制造阶段。此后，它还需要大约 14 年的时间才能被引入日常电子设备中。

“我们现在谈论的是 [VTFET]，而不是两年后，因为这项创新是一项非常重要的突破，”Bu 说。“我们要求业界关注这项新技术，并围绕这项创新实现更好的工艺和更好的设计工具，这样我们的社区才能在五到八年内真正利用这项技术。”