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自帕特·基辛格 (Pat Gelsinger)于 2021 年初重返英特爾擔任首席執行官以來，該公司在加強其制造工藝和代工業務方面下了很大賭注，擴大了其在美國的晶圓廠足跡，并倡導擴大該國的芯片制造能力。  

英特爾在其晶圓代工廠以及其自己的 CPU 和 GPU 業務中的成功或失敗，取決于在公司組件研究小組中遠離聚光燈的科學家和工程師，他們的工作在推動英特爾的發展中發揮著關鍵作用。每年都有幾次他們的努力成果被展示出來，例如在 8 月的 Hot Chips 展上和本周在舊金山舉行的 IEEE 國際電子設備會議 (IEDM) 上。  

在展會上，該小組將發表九篇論文，概述正在開發的技術，這些技術將推動英特爾芯片的性能改進和能效，芯片制造商執行副總裁兼技術開發總經理 Ann Kelleher 將主持 12 月 5 日的全體會議。  

這些論文還將強調英特爾繼續努力推動業內關于摩爾定律的辯論，自 1965 年以來引領科技行業發展方向的長達數十年的觀察是否正在失去動力。  

從 Components Research 到硅的一些技術包括應變硅（減少熱量）、高 k 金屬柵極（功耗）、FinFET（性能），以及去年的 RibbonFET（功耗）和 PowerVia （電源效率）。  

“這些都是在 Components Research 的圍墻內第一次呼吸，”Components Research 的主管兼高級首席工程師 Paul Fischer 在 IEDM 前的簡報中告訴記者和分析師?！斑€有封裝創新，例如 EMIB，以及最近的 Foveros Direct?！?   

Fischer 將論文中將要討論的技術分為三類：推動小芯片集成的3D 封裝、縮放晶體管的 2D 材料，以及提高性能的能效和內存進步。  

在第一個階段中，英特爾將討論準單片芯片，Fischer 將其描述為“利用新材料和新工藝，它們以令人興奮的方式開始模糊硅處理結束和封裝開始之間的界限”，這推動了 10 倍的改進英特爾在去年的 IEDM 上推出的互連密度。他說，英特爾在 2021 年展示了其在混合鍵合縮放方面的首次工作成果，達到 10 微米。準單片芯片將其驅動到 3 微米。   

Fischer 說：“如果將其分解為兩個維度，密度將提高 10 倍。”“這是我們去年談到的密度提高 10 倍的全部內容。因此，在短短幾年內，我們談論的是互連密度總累積改進 100 倍。這是一個非?？斓淖兓俣??！? 

準單片芯片設計還為小芯片提供了更大的靈活性，包括它們可以去哪里、可能的尺寸以及可以合并多少疊小芯片。“它為我們創造了一個非常靈活的機會，然后將這些小芯片與互連保真度拼接在一起，這些互連保真度與我們可以獲得的互連保真度相當，就好像它們是......在芯片上整體制造一樣，”他說。“因此，這就是團隊稱這些為準單片芯片的原因。”  

Component Research 小組還在研究 2D 材料，Fischer表示這將使英特爾能夠將更多晶體管安裝到單個芯片上并保持摩爾定律向前發展。大多數半導體材料——例如硅、氮化鎵和碳化硅——都依賴于三維晶體，原子在所有三個維度上都結合在一起。使用 2D 材料，所有鍵合都在一個地方完成。  

英特爾展示了一種環柵 (GAA) 堆疊納米片結構，使用 3 個原子厚的 2D 通道材料。同時，該公司在室溫下以低漏電流實現了雙柵極結構晶體管近乎理想的開關。英特爾表示，這兩種能力對于堆疊 GAA 晶體管都是必不可少的，這將推動該行業超越硅強加的限制。   

“當我們考慮晶體管的縮放時，這很關鍵，”他說?！巴ǖ篮穸纫脖仨毰c X 和 Y 相稱。您需要所有這些尺寸來縮放這些材料。這就是為什么它們對行業如此有吸引力，當然對英特爾也如此。”  

二維材料的另一個挑戰是實現電接觸，因為它們很薄。英特爾正在開發模型，以幫助理解與二維材料進行電接觸所需的物理學。研究人員創建了一個二維材料電接觸拓撲的綜合分析器，這可能會導致高性能和更具可擴展性的晶體管通道。  

為了更好的電源效率和內存，英特爾在兩年前推出了 3D 堆疊鐵電內存的概念。  

“我們相信這是可能的，”Fischer說?！拌F電材料的一個獨特屬性是電荷是固定的。在一個溝槽或一個通孔中，我們實際上可以創建許多不同的可單獨識別的可尋址電容器，這非常棒，因為它是一種通向密度縮放的途徑，使用一個小部件并從中創建四個存儲元件。這是一個非常令人興奮的概念?！? 

英特爾表示，今年，該公司將展示這一技術，展示可提供與傳統鐵電溝槽電容器相同性能的堆疊鐵電電容器，并使用它們在邏輯芯片上構建 FeRAM。

研究人員還開發了一種器件級模型，通過顯示狀態和缺陷的混合相來改進鐵電氧化鉿器件，這可能有助于開發新的存儲器和鐵電晶體管。他們還著眼于 5G 以外的領域，同時通過致力于 300 毫米硅基氮化鎵 (GaN) 技術解決能效問題，該技術可提供比行業標準 GaN 高 20 倍的增益。    

英特爾正在晶體管設計中添加一個源極連接的鋼板，這“使我們能夠展示 20 倍的增益和功率傳輸的關鍵品質因數，”他說?！耙虼耍涣鞯脑O備在功率傳輸的關鍵品質因數上獲得了 20 倍的增益。同樣的晶體管架構使我們能夠演示和測量記錄截止頻率，這是通信的關鍵品質因數。這對于 5G 及以后的應用來說非常棒。”  

此外，研究人員正在努力降低工作電壓以提高電源效率。Fischer 說，由于開關半導體的物理特性，如今的設備通常在 0.6 伏特范圍內工作。組件研究小組正在展示磁電設備的低壓和高速開關。  

“他們使用鑭摻雜的氧化鐵鉍作為無菌電材料，”他說。“通過在其上施加電場，他們能夠將磁矩切換到材料上，并且它處于永久狀態，直到施加另一個電勢。你只需施加 150 毫伏的電壓即可將其切換回來。他們能夠切換該狀態，這將是降低工作電壓的關鍵機會。想象一個工作在 150 毫伏而不是 0.6 伏的開關。”  

根據 Fischer 的說法，這很重要，因為設備的能量與電壓的平方成正比。此外，這些材料能夠高速切換也是關鍵。對于相對較大的設備（大約 4 平方微米），研究人員展示了 2 納秒的開關速度。

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