2020年10月10日 | IBM“硅”情结：创新半导体技术推动摩尔定律

硅谷巨头IBM是道格拉斯-亚当斯的科幻小说《银河系漫游指南》（The Hitchhiker Guide to the Galaxy）的忠实粉丝。其著名的”深蓝”超级计算机（IBM DeepBlue），前身名为DeepThought（深思）。DeepThought就是《银河系漫游指南》中一个外星文明制造的一台巨型计算机，用于揭开宇宙的一系列谜团。

100多年前，托马斯·沃森父子成就了全球IT业第一巨头“蓝色巨人”IBM。成立于1911年的IBM公司，长久以来几乎就是计算机的代名词，并在科技史上创造了很多个“第一”：推出第一台个人电脑（PC）；第一台公文包大小的膝上型电脑（laptop）；第一次机器打败人类——IBM“深蓝”计算机在象棋比赛中打败世界冠军；2011年推出的沃森计算机是史上第一台听懂人类自然语言的超级计算机，象征人机互动进入全新时代……

但事实上，IBM还有另一面，在半导体领域，它的贡献同样不容小觑，更称得上是曾经的王者，其在半导体技术上的创新突破成果对整个产业的推动功不可没。

沿着摩尔定律的轨道推动性能提升

在全球半导体产业的发展历程中，IBM曾经在该领域推出过多项突破性技术，对于推动半导体产业发展有举足轻重的贡献。

IBM对硅和半导体创新的历史性贡献包括发明和首次实施了：单一单元DRAM，支撑“摩尔定律”的“Dennard标度律”（Dennard scaling laws），化学放大的光刻胶，铜互连布线、绝缘硅、疲劳设计（strained engineering）、多核心微处理器，浸没式光刻技术，高速硅锗（SiGe）、高k栅介质、嵌入式DRAM、3D芯片堆叠，以及气隙绝缘。

其中单晶体管DRAM的设想就是由IBM在1966年首先提出的。据称当时IBM科学家Robert Dennard有一天躺在自家客厅的沙发上欣赏Croton River Gorge的落日余晖时，突然灵感闪现有了这一想法。此后，1970年，Intel采用三个晶体管单元设计方法推出了大获成功的1KB DRAM芯片，而多家制造商在20世纪70年代中期使用 Dennard的单晶体管单元制造出了4KBx芯片，后来经过一波波的创新，成就了当时容量高达4,000,000,000比特的DRAM芯片。

而在此前的1960年，IBM还开发出了倒装芯片封装技术，为了降低成本，提高速度，提高组件可靠性，FC使用在第1层芯片与载板接合封装，封装方式为芯片正面朝下向基板，无需引线键合，形成最短电路，降低电阻；采用金属球连接，缩小了封装尺寸，改善电性表现，解决了BGA为增加引脚数而需扩大体积的困扰。

精简指令集计算机 (RISC) 架构也是由IBM开发出来的。1974年，IBM研究院的研究员John Cocke和他的团队开始设计电话交换控制器，并由此成功设计了采用精简指令集计算机 (RISC) 架构计算机原型。第一台采用RISC（精简指令集计算机）架构的计算机原型由IBM 在1980年研制而成。直到今天，这种架构仍应用在几乎每台计算设备中。

在过去的30多年里在全球集成电路生产中得到了广泛应用的准分子激光光刻技术（excimer laser lithography），同样也是由IBM的Kanti Jain于1982年首次开创性地提出。该技术也一直被视作摩尔定律持续推进的关键因素。

1994年，IBM研究院从硅锗 (SiGe) 中制造低成本半导体芯片的方法获得了专利。SiGe是Meyerson在一次事故中发现的，随后经过不断研究中发现，SiGe比当时更稀有、更昂贵的材料更容易活动，而且改进了集成电路的速度和通用性。将锗引入全硅芯片基层中可以显著改进运行频率、电流、噪声和动力。这些更廉价、体积更小、能效更高的芯片拓展了无线行业。2006年IBM通过与NASA提供支持的Georgia科技公司合作，又突破了硅锗技术的限制，向全球展示了第一款能够在500GHz频率以上工作的硅基芯片——通过将芯片冷冻到接近绝对零度来实现。如今，SiGe技术为新一代移动设备和智能技术提供了强大动力。

1997年，IBM研究院宣布用铜互连技术制造芯片将比使用铝而使芯片更快、更小、更廉价，这在技术行业中投下了一颗重磅炸弹。与铝相比，铜线导电电阻低大约40%，使得微处理器的速度再提高15%。在这之后，更小、更高效的芯片技术不断被开发，而这依赖于过去15年的铜互连技术的进步才能得以实现。即使随着新的“亿亿次”技术的进步，例如纳米光子—使用光脉冲以“亿亿次”速度传送数据，铜将继续成为微处理器设计与演进的最根本元件。这项突破导致行业出现了新的转折点，并使IBM成为全球领导者。

2001年10月，IBM发布了全球第一个双内核微处理器POWER4。POWER4作为Regatta的一部分发布，Regatta是一款System p服务器，是当时世界上功能最强大的服务器。

2004年12月，IBM宣布在全球首次采用浸没式光刻（Immersion Lithography）这项新的制造技术，即可以使芯片尺寸可以做得更小的技术，来生产商用微处理器。

2007年1月，IBM宣布推出一种解决方案来解决业界最头痛的问题之一，即晶体管电流泄漏问题。通过采用新的材料，IBM制造出具有“高电介质金属门（High-k metal gates）”的芯片，从而使产品的性能更好、尺寸更小、能源效率更高。

2007年2月，IBM发布嵌入式动态随机访问存储器（eDRAM），通过在微处理器芯片上采用创新的新型快速动态随机访问存储器（DRAM）取代静态存储器（SRAM），IBM能够实现三倍以上容量的嵌入式内存，并使性能得到极大提高。2个月后，IBM又宣布采用“穿透硅通道（through-silicon vias）”技术制造三维芯片，穿透硅通道使半导体可以垂直叠放，而原来只能接近水平依次排放，这样就可以将关键线路路径的长度缩短最高达1000倍。

除此之外，IBM还取得了多个创新半导体技术，有助于打破摩尔定律的速度限制。如low-k绝缘体，这种技术使用 SiLK来防止铜线“串扰”；绝缘硅（SoI），在硅表面之间放上很薄的一层绝缘体，可以防止晶体管的“电子效应”，这样可以实现更高的性能和更低的功耗；应变硅，这种技术对硅进行拉伸，从而加速电子在芯片内的流动，不用进行小型化就可以提高性能和降低功耗。如果与绝缘硅技术一起使用，应变硅技术可以更大程度地提高性能并降低功耗。

IBM的研究人员还被认为开启了纳米设备时代，因为他们发明了获得诺贝尔奖的扫描隧道显微镜，这推动了纳米和原子尺度的发明和创新。

POWER处理器：将半导体技术推向新高潮

POWER，是Power Optimization With Enhanced RISC的缩写，是IBM的很多服务器、工作站和超级计算机的主要处理器。POWER芯片起源于801 CPU，是第二代RISC处理器。POWER 芯片在1990年被RS或RISC System/6000 UNIX 工作站（现在称为 eServer 和 pSeries）采用。

1990年，IBM推出了集成有80万个晶体管的POWER1，这预示着IBM POWER全新架构的开始。POWER1后来也充当了火星探路者的中央处理器，协助人类完成了迄今为止最为成功的星际探测计划之一。它也是后来PowerPC产品线的先驱。

此后的几年内，IBM不断提升POWER系列芯片的性能，先后于1993年至2001年期间推出了POWER2、POWER2+、POWER3级POWER4处理器芯片。POWER4时，该处理器已经集成了1亿7400万个晶体管，每个处理器都可以并行执行200条指令。

2004年，IBM采用90纳米工艺开发出低功耗、高性能的新型微处理器—64位的PowerPC 970FX，在970FX上，硅拉伸(strained silicon)、绝缘硅(SOI)与铜制程(copper wiring)3种制造技术结合在了一起。同年，IBM推出POWER5芯片，是首个支持“并发多线程”的处理器，拥有比上一代POWER4处理器性能提高4倍的功能。POWER5也是IBM当时有史以来最强大的64位处理器。

此后，2005年IBM发布了POWER5+，新的POWER5+处理器被称为“片上服务器”(server on a chip)。紧接着，2007年5月，IBM推出POWER6处理器，该处理器突破了4GHz主频，最高可以实现5.0GHz。2009年4月，IBM发布了Power6+处理器。而2010年2月，IBM公司发布的新一代POWER7处理器，则把UNIX服务器推向了新的高度。

IBM的晶圆代工服务

IBM的晶圆代工服务，也值得一提。

IBM于1988年在美国Vermont创建200mm生产线。2001年，它又在East Fishkill创建300mm的R&D线，并于一年后投资超过25亿美元，兴建世界上最先进的300mm晶园制造生产线，并开展代工服务。

2004年，AMD与IBM签订协议，共同开发新的65纳米和45纳米逻辑制程技术。根据协议，在研发期间AMD将支付给IBM大约2.5亿～2.8亿美金。作为回报，AMD有权采用IBM部分先进的制造技术，包括C-4芯片封装技术。同年，三星公司宣布与IBM、新加坡特许半导体制造公司(Chartered Semiconductor Manufacturing)和英飞凌达成战略性半导体技术开发合作关系。结成合作伙伴关系的4家公司重点关注65纳米及45纳米芯片技术。

不过半导体制造业务占IBM整体营收不到2%，而随着IBM自有产品逐渐被边缘化以后，半导体代工工厂的营收每况愈下。该部门每年亏损最多曾达到15亿美元。因而最终IBM决定壮士断腕，甚至贴钱将该业务卖给格罗方德。2014年10月，IBM倒贴15亿美元将其老旧芯片生产线卖给格罗方德。

但IBM在半导体制造技术上的探索脚步并没有就此停下。

2015年7月，由IBM研究院牵头的合作伙伴Global Foundries、三星电子及纽约州立大学(SUNY)理工学院的纳米科学和工程学院(SUNY Poly CNSE)共同协作，制造出业界首款7纳米节点测试芯片，该芯片具备了在指甲盖大小的芯片上放置200亿只晶体管的能力，能够为各种智能设备提供计算能力，小到智能手机，大到宇宙飞船。7纳米节点这一里程碑成就，继承了IBM硅片和半导体创新的悠久传统。

2016年11月16日，IBM 的研究人员已经找到如何使用纳米碳管制造微型晶片的方法，这一成果可以让人类制造出更强的晶片，使得曲面电脑、可注射晶片成为可能。

2017年，IBM官方博客透露，其已发明了一种可以运行在100万个相变内存（PCM）上的无监督式机器学习算法，业界认为，相变存储器是首款既具有 DRAM 特性又具有闪存特性的通用存储器装置，因此可解决业界面临的重大挑战之一。这或将开启存储的革命。

对中国半导体亦有贡献

IBM之于中国半导体产业的发展同样，有着不可磨灭的作用。鲜为产业界知道的是，华为海思曾是IBM半导体制造的最大客户，二者是芯片制造上的重要合作伙伴。海思的很多芯片，尤其是ASIC芯片都是在IBM完成的；而IBM制造的多数产能也是海思提供的，双方有着长远、深厚的合作基础。

1998年，任正非在华为内部发起了“向美国人学习”、“向IBM学习”的活动。1999年2月，华为正式聘请IBM公司做顾问，花费5000万元开展IPD（集成产品研发流程）咨询项目。

无独有偶。中芯国际也与IBM在半导体制造上有深远合作。中芯国际曾于2012年3月28日与IBM签订协议，合作开发行业兼容28纳米技术。根据合作协议，中芯国际及IBM将先交换若干技术资料，然后展开行业兼容28纳米技术的合作与开发。

“后硅”时代的探索

硅晶体管，也就是芯片上传递信息的微型开关，随着摩尔定律的推进，它们正在接近物理极限点。由于受限于硅的性质和物理定律，这将阻碍其在性能上取得大的改进。在芯片制程工艺低于7纳米时，挑战急剧增加，需要一种新的材料来推动未来的系统，也需要新的计算平台来解决目前无法或难以解决的问题。

IBM认为，对于上述技术和材料的极限挑战，潜在的替代方案包括碳纳米管等新材料，以及包括神经形态计算、认知计算、机器学习技术甚至量子计算等非传统的计算方法。

作为旨在突破传统硅基计算的领导者，IBM拥有超过500项专利，这些技术将推动7纳米及以下硅芯片的发展。这些探索性的突破包括：量子计算、神经突触(neurosynaptic computing计算、硅光子技术（silicon photonics）、碳纳米管（carbon nanotubes）、III-V族半导体技术（III-V technologies）、低功耗晶体管（low power transistors ）以及石墨烯（graphene）。

IBM认为，突破半导体创新的局限，探索后硅时代，是半导体技术未来发展的重点。