现代计算机和智能手机的功能不断增强，每一代型号都更快、更高效，这在很大程度上归功于驱动它们运行的微小芯片以前所未有的速度发展。正如摩尔定律所预测的那样，芯片可容纳的晶体管数量大致上应该每两年翻一番。更多的晶体管意味着更快的芯片和更强的计算能力，但在不改变芯片尺寸的情况下实现这一点，让计算机工程师们担心空间不够用。
但 IBM 有一种新方法：通过将构成芯片基本构建块、控制或放大电信号的晶体管旋转到芯片表面上垂直放置，而不是水平放置，工程师们可以在给定的空间内封装更多的晶体管。
“历史上，晶体管都是建造在半导体表面平躺的，电流在其中横向流动，”IBM 在本周发布的新闻稿中表示，他们还将展示一种新的芯片架构设计，将于明天在2021 年国际电子器件会议上展示。“通过新型垂直传输场效应晶体管（VTFET），IBM 和三星已成功实现了垂直于芯片表面构建的晶体管，电流呈垂直（上下）流动。”
为了理解这为什么对半导体技术可能是一个重大突破，我们先来关注一下单个晶体管。“任何硬件技术的 DNA 都是晶体管，”IBM 研究员 Hemanth Jagannathan 说。数十亿个晶体管可以覆盖硅晶圆的表面，这些晶圆被层叠在一起制造微芯片。
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。当栅极施加电压时，晶体管导通，状态为 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，防止它们相互干扰，这通过使用虚拟栅极来实现。
然后有一个概念叫做“栅极接触间距”，这是容纳所有晶体管组件所需的物理距离。“这些都是非常基本的结构要求，你可以想象有两堵硬墙，你必须在其中放入栅极、间隔件和接触区域，”Jagannathan 说。墙壁不断逼近，但到某个点，它们就不能再靠近了，否则会牺牲功能。
之前的晶体管创新，如FinFET和纳米片，栅极、源极和漏极都在同一个平面上。通过垂直设计，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——它们使用一种叫做浅沟槽隔离的技术，从而节省了空间。
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它们还改变了电流方向，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。
“通过这种改变，你现在可以独立改变栅极长度、间隔件厚度和接触，”Jagannathan 说。“因为你可以垂直堆叠，将这些晶体管 packing 得更紧密，所以你现在可以在给定的区域内获得更多的晶体管。”
IBM 云混合技术研究副总裁 Huiming Bu 估计，与当今最好的 3D 晶体管技术（如 FinFET）相比，VTFET 可以在相同尺寸的芯片中多容纳多达五倍的晶体管。这对于芯片尺寸固定的应用非常有用。
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在测试中，与同等规模的 FinFET 器件相比，IBM 声称观察到电容和电阻降低了 50%，功耗降低了 85%。该团队将继续观察器件的性能指标，如决定电流进出难易程度的电阻，以及晶体管的开关速度和源极与漏极之间的隔离度。
在过去 80 年里，晶体管设计被反复改进。FinFET 模型改进了 1960 年代的 MOSFET 设计。几年前，一种称为纳米片的架构，其栅极围绕晶体管，减少了器件漏电。
“半导体创新非常困难，”Bu 说。“这需要很多年。”
例如，他指出，高 K 金属栅极花了 16 年才投入生产。FinFET 也是如此，该行业花了大约 14 年才实现量产。纳米片技术，许多团队仍在研究中，尚未达到生产阶段，但预计在未来两年内可以实现。在那之后，还需要大约 14 年才能将其引入日常电子设备。
“我们今天谈论的是 [VTFET]，而不是两年后的事情，因为这项创新是一个如此重要的突破，”Bu 说。“我们呼吁业界关注这项新技术，并围绕这项创新支持更好的工艺和更好的设计工具，以便我们的社区在五到八年后能够真正利用这项技术特性。”
