2021年，随着工艺技术的创新、人工智能技术的应用、材料科学技术的进步、创新器件结构和架构的出现，国外芯片前沿技术领域取得了大量重要进展，持续推动芯片技术向高性能、高集成、高智能方向发展。
第一，芯片工艺技术在不断创新，会继续朝着摩尔定律的方向发展。
1.全球首款2nm芯片制造工艺问世。
2021年5月，IBM发布了全球首款2纳米芯片制程技术。该工艺采用三维垂直堆叠纳米片全环栅晶体管结构，比主流鳍式场效应晶体管结构开关速度更快，工作速度更高。与常见的浅沟槽隔离技术相比，底部介质隔离技术具有更好的绝缘性，减少了泄漏，降低了功耗。用极紫外光刻技术代替深紫外光刻技术，分辨率更高，掩膜使用量更少，成品率提高，制造成本降低。制造的2nm芯片每平方毫米可以集成3.33亿个晶体管，是TSMC 5nm工艺芯片的1.9倍，三星5nm工艺芯片的2.6倍。与7 nm芯片相比，运算速度提升45%，能效提升75%。IBM的2nm芯片已经成为迄今为止集成度最高、功能最强的芯片，在加速应用处理、快速上网、提高目标检测速度、控制处理器能耗等方面将具有明显的优势。
图1全环栅晶体管结构与平面和鳍式场效应晶体管结构的比较
2.比利时的IMEC开发了叉指场效应晶体管的CMOS芯片的制造工艺。
2021年6月，比利时微电子研究中心开发出具有超级沟道控制能力的叉指场效应晶体管的CMOS制造工艺。该工艺与300 mm直径晶圆CMOS芯片工艺生产线兼容。制造的NMOS和PMOS FET晶体管具有22 nm的栅极长度，并且都具有双层堆叠沟道。在PMOS和NMOS之间引入介质壁，形成三栅叉指控制结构。在缩短PMOS和NMOS的差距的同时，大大提高了器件的沟道控制能力。N-P间隙只有最先进的鳍式FET的35%，沟道控制能力相当于垂直堆叠的纳米芯片晶体管。新技术可以将CMOS标准单元的高度从5T降低到4.3T，大大提高了器件性能，为摩尔定律的延续开辟了新的路径。
图2集成在同一晶片上的叉指场效应晶体管和垂直堆叠纳米芯片晶体管的结构比较。
二是人工智能技术的大规模应用，智能芯片呈现快速发展趋势。
1.一种新的深度神经网络系统为智能芯片的发展开辟了新的道路。
2021年1月，美国斯坦福大学在DARPA“电子复兴计划”的支持下，开发出兼具存储和数据处理功能的“存储和计算一体化”深度神经网络系统。该系统由八个计算芯片组成，每个芯片包含一个18千位RAM和一个8千位SRAM。处理单元与片上存储器紧密相连，大大提高了数据访问速度。8个计算芯片可以并行执行神经网络推理任务，显著提高了数据处理速度；片内存储器采用相变存储机制，读写速度比闪存更快，能耗更低，掉电时也能存储数据。此外，根据计算任务的类型，可以快速灵活地唤醒或关闭计算芯片，以极低的功耗保证高速计算。测试结果显示，新系统的计算时间为25.69秒，能耗为18.66 mJ，分别低于理想芯片的2.5%和3.5%。与存储分离处理器相比，人工智能程序运行速度提高7倍，能耗降低1/7。新型深度神经网络推理系统运行功耗极低，非常适用于类脑计算、虚拟现实、智能系统等领域，为高集成度、高性能智能芯片的开发提供了新的思路。
图3新型深度神经网络推理系统原型
2.首款面向人工智能应用的数据中心CPU产品问世。
2021年4月，美国英伟达公司推出首款面向人工智能应用的数据中心CPU产品“Grace”。该产品是一种处理器芯片，专门用于支持人工智能应用。它最突出的特点是具有自然语言处理和人工智能超级计算两大功能。Nvidia计划将“Grace”与图形处理器相结合，形成基于LPDDR5x低功耗内存技术的系统。该系统可以大大降低数据传输的能耗，全面提高系统的能效，拥有DDR4内存系统两倍的带宽和十倍的能效。有望在新型超级计算机、天气预报、科学模拟等领域得到应用。
图4英伟达首款数据中心CPU产品“Grace”
三是新材料技术逐渐成熟，芯片应用性能进一步拓展。
1.德国和西班牙开发了一种类似晶体管的设备，可以控制石墨烯的电子特性。
2021年4月，由来自德尔斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心、杜伊斯堡-埃森大学马克斯·普朗克聚合物研究所、纳米科学和纳米技术研究所以及西班牙加泰罗尼亚光子学研究所的研究人员组成的研究团队开发出了类似晶体管的设备，可以控制石墨烯的电子属性。该器件可以通过电触点施加的小栅压来控制超高频太赫兹电信号在石墨烯中传输的强度和频率。实验结果表明，施加一定电压后，石墨烯的非线性响应逐渐消失，当控制电压稍微偏离临界值时，材料又表现出明显的非线性。因此，在确定最佳选通电压之后，透射和再发射的太赫兹电子信号的强度和频率分量可以改变两个数量级以上。该研究填补了石墨烯电子信号处理和调制应用中非线性控制的“缺失环节”，为石墨烯芯片创新技术的实际应用奠定了基础。
图5控制墨水的类型5晶体管器件的电子信号强度和频率的示意图。
2.德国在室温下制造出二维自旋场效应晶体管。
2021年9月，德国雷根斯堡大学制造了双层石墨烯自旋进动2D材料自旋场效应晶体管，可以在室温下的无磁环境中工作。研究人员通过研究自旋电子学中不同二维材料的异质结构特性的表现，发现将自旋轨道耦合弱的材料如石墨烯和自旋轨道耦合强的材料如二硒化钨堆叠在一起，可以实现材料层间的相互作用，从而在石墨烯上产生有效的自旋轨道耦合，在不施加磁场的情况下反转自旋方向。根据这一发现，研究人员通过对材料施加面内电场和背栅电压来控制所用材料的自旋输运时间，实现了室温下无外磁场下自旋进动的电控制。该研究为石墨烯范德华异质结构的研究提供了有价值的理论参考，拓展了二维材料的应用范围，使开发节能自旋逻辑器件成为可能。
图6石墨烯-WSe2自旋场效应晶体管示意图
