年，随着制程工艺技术的革新、人工智能技术的应用、材料科学技术的进步和创新器件结构与架构的出现，国外芯片前沿技术领域取得不少重要进展，持续推动芯片技术向高性能、高集成度和高智能化等方向发展。

一、芯片制程工艺技术不断革新，将沿摩尔定律方向继续发展

1、全球首个2纳米芯片制程工艺问世

年5月，美国IBM公司发布全球首个2纳米芯片制程工艺。该工艺采用三维垂直堆叠纳米片全环栅（GAA）晶体管结构，与主流鳍式场效应晶体管结构相比，开关速度更快，工作速率更高；引入底部介电隔离技术，与普通浅槽隔离技术相比，绝缘性更好，减少了漏电，并降低功耗；利用极紫外光刻（EUV）技术代替深紫外光刻（DUV）技术，分辨率更高、光罩使用量更少，提高了良率，并降低了制造成本。制造出的2纳米芯片每平方毫米可集成3.33亿个晶体管，是台积电5纳米制程芯片（每平方毫米1.71亿个）的1.9倍、三星5纳米制程芯片（每平方毫米1.27亿个）的2.6倍；相比7纳米芯片，计算速度提高45%，能效提升75%。IBM的2纳米芯片成为迄今为止集成度最高、功能最强大的芯片，将在应用程序加速处理、互联网快速接入、目标检测速度提升、处理器能耗控制等方面产生明显优势。

图1全环栅晶体管结构与平面、鳍式场效应晶体管结构对比

2、比利时IMEC开发出叉片式场效应晶体管CMOS芯片制造工艺

年6月，比利时微电子研究中心（IMEC）开发了具有超强沟道控制能力的叉片式（Forksheet）场效应晶体管CMOS制造工艺。该工艺兼容毫米（12寸）直径晶圆CMOS芯片工艺产线，制造出的NMOS和PMOS场效应管晶体管栅极长度为22纳米，均具有双层堆叠沟道，并在PMOS和NMOS间引入电介质壁，形成三栅极叉片式控制结构，在缩短PMOS和NMOS间距的同时，大幅提升了器件对沟道的控制能力，N-P间距仅为最先进鳍式场效应晶体管的35%，沟道控制能力与垂直堆叠纳米片晶体管相当。新工艺可将CMOS标准单元高度由5T降低至4.3T，极大提升了器件性能，为摩尔定律的延续开辟了新的路径。

图2集成在同一晶圆上的叉片式场效应晶体管与垂直堆叠纳米片晶体管的结构对比

二、人工智能技术大规模应用，智能化芯片呈现快速发展趋势

1、全新深度神经网络系统开辟智能芯片发展新路径

年1月，美国斯坦福大学在DARPA“电子复兴计划”支持下，开发出兼具存储与数据处理功能的“存算一体”深度神经网络系统。该系统由8个计算芯片组成网络，各计算芯片内包含一个18千比特阻变存储器（RRAM）和一个8千比特静态随机存储器（SRAM），处理单元和片上存储器紧密相连，大幅提高了数据存取速度；8个计算芯片可并行执行神经网络推理任务，显著提升了数据处理速度；片上存储器采用相变存储机制，读写速度较闪存更快、能耗更低，可在断电情况下存储数据。此外，可根据计算任务类型，快速灵活唤醒或关闭计算芯片，能以极低的功耗保证高速运算。测试结果显示，新系统在执行长短期记忆网络（LSTM）任务的运算时间为25.69秒，能耗为18.66毫焦，保持在理想芯片的2.5%和3.5%以下（理想芯片的运算时间为25.13秒，能耗为18.06毫焦）。与存储分离处理器相比，运行人工智能程序的速度提升7倍，能耗降为1/7。全新深度神经网络推理系统极低的运行功耗，非常适用于类脑计算、虚拟现实、智能化系统等领域，为高集成度、高性能智能芯片发展提供了新的思路。

图3全新型深度神经网络推理系统原型

2、首个面向人工智能应用的数据中心中央处理器产品问世

年4月，美国英伟达公司推出了首个面向人工智能应用的数据中心中央处理器（CPU）产品“Grace”。该产品是专为支持人工智能应用而设计的处理器芯片，其最突出的特性是兼具自然语言处理和人工智能超级计算两个功能。英伟达公司计划将“Grace”与图形处理器（GPU）结合，组成基于LPDDR5x低功耗内存技术的系统。该系统可极大地减少数据传输能耗，全面提高系统能效，将具备比DDR4内存系统高两倍带宽和十倍能效的存储能力，有望在新型超级计算机、气象预测和科学模拟仿真等领域得到应用。

图4英伟达公司的首款数据中心CPU产品“Grace”

三、新材料技术逐渐成熟，芯片应用性能进一步拓展

1、德西合作开发出能控制石墨烯电子特性的类晶体管器件

年4月，由德国德尔斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心、马克斯·普朗克聚合物研究所、杜伊斯堡-埃森大学、西班牙加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所(ICN2)和光子科学研究所(ICFO)的研究人员组成的研究团队开发出能控制石墨烯电子特性的类晶体管器件。该器件可通过电触点施加的较小栅极电压控制通过石墨烯传输的超高频太赫兹电子信号强度及频率。实验结果显示，在施加一定的电压之后，石墨烯的非线性响应逐渐消失，而当控制电压从临界值略微偏离后，材料则再次呈现出明显的非线性。据此，在确定最佳的选通电压后，可将传输和重新发射的太赫兹电子信号强度及频率分量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”，为石墨烯材料芯片创新技术的实际应用奠定了基础。

图5类晶体管器件控制墨烯电子信号强度及频率示意图

2、德国在室温下制造出二维材料自旋场效应晶体管

年9月，德国雷根斯堡大学在室温下制造出能在无磁场环境中运行的双层石墨烯自旋进动二维材料自旋场效应晶体管。研究人员通过研究不同二维材料的异质结构特性在自旋电子学中的表现，发现将石墨烯等具有弱自旋轨道耦合的材料与二硒化钨（WSe2）等具有强自旋轨道耦合的材料堆叠，可实现材料层之间的相互作用，从而在石墨烯（充当有效磁场）上产生有效自旋轨道耦合，无需施加磁场便可逆转自旋方向。根据这一发现，研究人员通过向材料施加面内电场和背栅电压来控制所使用材料的自旋输运时间，在室温下实现了无外部磁场条件下的自旋进动电气控制。该研究为石墨烯范德华异质结构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，使节能自旋逻辑器件的研发成为可能。

图6石墨烯-WSe2自旋场效应晶体管示意图