5nm?3nm?芯片制程的極限究竟在哪里?
現(xiàn)在的集成電路制造技術(shù)其核心就是光刻技術(shù),這種方法與照相類(lèi)似,就是將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移到涂有光致抗蝕劑(或稱(chēng)光刻膠)的硅片上。在實(shí)際工藝中,一個(gè)芯片的產(chǎn)生要經(jīng)歷幾十次光刻才能完成,有些結(jié)構(gòu)層甚至需要多次光刻才能形成。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202102/422708.htm在這個(gè)發(fā)展階段,所謂的物理極限其實(shí)就是光的波長(zhǎng)限制,所以科學(xué)家們所做的工作主要是不斷降低用于曝光的光線(xiàn)的波長(zhǎng)。通過(guò)這種方法,不斷提高光刻分辨率,分辨率高了,同樣大小的硅晶圓上,可以生產(chǎn)更多的芯片。
· 2001年:芯片制程工藝是130nm,例如奔騰3處理器。
· 2004年:90nm的元年。
· 2012年:制程工藝發(fā)展到22nm,此時(shí)聯(lián)電、聯(lián)發(fā)科、格芯等很多廠家可以達(dá)到22nm的半導(dǎo)體制程工藝。
· 2015年:芯片制成發(fā)展的一個(gè)分水嶺,進(jìn)入14nm時(shí),聯(lián)電止步于此。
· 2017年:步入10nm時(shí)代,英特爾停在了10nm,i5和i7處理器由于良率問(wèn)題而遲遲無(wú)法交貨。
· 2018年:7nm來(lái)臨,英特爾至今無(wú)法突破,而美國(guó)另一家芯片代工巨頭“格芯”,也是在7納米處倒下的。
· 2019年:6nm開(kāi)始量產(chǎn)。
· 2020年:制程開(kāi)始進(jìn)入5nm時(shí)代,進(jìn)入更難的5nm,只有三星和臺(tái)積電生存下來(lái)了。
5nm芯片的現(xiàn)狀
第一款出貨的5nm芯片,是蘋(píng)果2020年10月份發(fā)布并上市的A14仿生芯片,這款SoC的晶體管數(shù)量達(dá)到118億個(gè),比A13多大約40%;而第二款則是集成153億個(gè)晶體管的華為麒麟9000。
但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)逐漸接近物理瓶頸,晶體管尺寸的微縮越來(lái)越難。5nm的手機(jī)芯片的表現(xiàn)似乎并不盡人意,不僅在性能提升有限,功耗也面臨“翻車(chē)”。對(duì)于普通用戶(hù)來(lái)說(shuō),設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重和高功耗會(huì)直接影響使用體驗(yàn),芯片散熱差嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致芯片異常甚至失效。
主要原因是制造工藝不成熟,工藝、IC設(shè)計(jì)與功耗的不平衡。當(dāng)制造工藝和IC設(shè)計(jì)不匹配時(shí),便會(huì)造成一些問(wèn)題,包括功耗、性能等。
廠商為追求更低的成本,用更小面積的芯片承載更多的晶體管,看似是達(dá)成制程越先進(jìn)、芯片性能越好、功耗越低。但實(shí)際情況更復(fù)雜,有的廠商通過(guò)增加核心、也有通過(guò)設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路,無(wú)論是增加核心還是設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路,都需要面對(duì)功耗激增的問(wèn)題,兩者之間又需要尋找新方法進(jìn)行平衡。
另外,5nm芯片的成本極高。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IBS給出的數(shù)據(jù)顯示,自28nm之后芯片的成本迅速上升:28nm工藝的成本為0.629億美元,到了7nm和5nm芯片的成本迅速暴增,5nm將增至4.76億美元。
在FinFET工藝之后,環(huán)繞式閘極電晶體(GAA)也開(kāi)始提上議程,臺(tái)積電原本計(jì)劃在5nm節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用該技術(shù),但考慮到綜合性能和成本之后,選擇繼續(xù)使用FinFET工藝。讓GAA的應(yīng)用推遲至3nm節(jié)點(diǎn)上。
2nm已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)
臺(tái)積電5nm雖然已經(jīng)量產(chǎn),但產(chǎn)能還是很有限,還在持續(xù)提升中;另外3nm制程也預(yù)計(jì)在2021年風(fēng)險(xiǎn)量產(chǎn),在2022年下半年量產(chǎn),這次臺(tái)積電內(nèi)部又將2nm芯片提上了日程。據(jù)財(cái)聯(lián)社消息,臺(tái)積電方面近期表示,將在新的臺(tái)灣研發(fā)中心運(yùn)營(yíng)一條先進(jìn)生產(chǎn)線(xiàn),擁有8000名工程師,該設(shè)施將專(zhuān)注于研究2納米芯片等產(chǎn)品。有業(yè)界聲音估計(jì),臺(tái)積電2nm將在2023年至2024年推出。
圖 | ASML 預(yù)測(cè)半導(dǎo)體制程升級(jí)規(guī)劃
從誕生到現(xiàn)在的二十年間,F(xiàn)inEFT技術(shù)已經(jīng)讓芯片工藝節(jié)點(diǎn)制程最高突破到3nm。不過(guò),3nm幾乎已經(jīng)逼近FinFET的極限,再往下發(fā)展,無(wú)論是鰭片距離、短溝道效應(yīng)還是材料已經(jīng)到達(dá)閾值,如果沒(méi)有改變架構(gòu),芯片可能連物理結(jié)構(gòu)都構(gòu)不成。
所以,臺(tái)積電的2nm制程用上了GAA技術(shù),作為FinFET技術(shù)的演進(jìn),這也可以用來(lái)繼續(xù)抑制短溝道效應(yīng)的技術(shù)。但是在GAA工藝上,臺(tái)積電并不是走得最快的。臺(tái)積電在最新的3nm制程上還將繼續(xù)沿用FinFET工藝,不過(guò)三星的3nm則選擇了GAA工藝路線(xiàn)。
GAA是FinFET技術(shù)的演進(jìn),其四面都被柵極圍繞,從而再度增強(qiáng)柵極對(duì)溝道的控制能力,有效減少漏電。它和FinFET有相同的理念,不同之處在于GAA的柵極對(duì)溝道的四面包裹,源極和漏極不再和基底接觸。
根據(jù)設(shè)計(jì)的不同,GAA也有不同的形態(tài),目前比較主流的四個(gè)技術(shù)是納米線(xiàn)、板片狀結(jié)構(gòu)多路橋接鰭片、六角形截面納米線(xiàn)、納米環(huán)。三星對(duì)外介紹的GAA技術(shù)是Multi-Bridge Channel FET(MBCFET),即板片狀結(jié)構(gòu)多路橋接鰭片。臺(tái)積電同樣采用MBCFET架構(gòu)。
GAA可以帶來(lái)性能和功耗的降低,但成本也非常高,三星稱(chēng)其3nm GAA的成本可能會(huì)超過(guò)5億美元。
芯片制程發(fā)展極限
隨著芯片尺寸的進(jìn)一步縮小,新的“物理極限”出現(xiàn)了。這就是我們傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片的設(shè)計(jì)理念問(wèn)題。我們都知道的,現(xiàn)在的電腦是基于數(shù)字電路0、1這樣的邏輯電路搭建起來(lái)的。而隨著芯片尺寸的減小,最小的PN結(jié)也在不斷的減小。由于量子效應(yīng),PN結(jié)不能形成之前的工作狀態(tài),也就是說(shuō),不再表現(xiàn)出0和1這種狀態(tài),量子效應(yīng)成為了數(shù)字集成電路的攔路虎。
這怎么辦呢?其實(shí),需要的不是做新的PN結(jié)出來(lái),因?yàn)镻N結(jié)已經(jīng)無(wú)法再小了??茖W(xué)家們做的工作是,發(fā)展下一代計(jì)算機(jī)技術(shù):量子計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)的工作原理跟我們現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)是不同,它是利用量子的波函數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算的。它的計(jì)算邏輯不同於數(shù)字電子計(jì)算機(jī),量子計(jì)算用來(lái)存儲(chǔ)資料的對(duì)象是量子位元,它使用量子演算法來(lái)進(jìn)行資料操作。
這種變化其實(shí)就是新的技術(shù)手段代替老的技術(shù)手段的過(guò)程。面對(duì)無(wú)法再小的數(shù)字化集成電路科學(xué)家祭出的新的手段就是量子計(jì)算,用量子計(jì)算來(lái)取代數(shù)字計(jì)算,讓計(jì)算能力進(jìn)入到一個(gè)新的發(fā)展階段。
還有就是目前,芯片都是由硅為基礎(chǔ),在上面刻蝕電路,但是,理論研究表明,當(dāng)芯片制程達(dá)到1nm的時(shí)候,量子隧穿效應(yīng),就是電子不受控制,所以這是人們很擔(dān)心的問(wèn)題,1nm后怎么辦?目前人類(lèi)馬上將硅基材料的性能壓縮到了極限,所以更換材料已經(jīng)被提上日程,目前最有希望的便是二硫化鉬(MoS2)。
硅和二硫化鉬都有晶體結(jié)構(gòu),但是二硫化鉬對(duì)于控制電子的能力要強(qiáng)于硅,眾所周知,晶體管由源極,漏極和柵極,柵極負(fù)責(zé)電子的流向,它是起開(kāi)關(guān)作用,在1nm的時(shí)候,柵極已經(jīng)很難發(fā)揮其作用了。而通過(guò)二硫化鉬,則會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題,而且二硫化鉬的介電常數(shù)非常低,可以將柵極壓縮到1nm完全沒(méi)有問(wèn)題。
1nm是人類(lèi)半導(dǎo)體發(fā)展的重要節(jié)點(diǎn),可以說(shuō),能不能突破1nm的魔咒,關(guān)乎計(jì)算機(jī)的發(fā)展,雖然二硫化鉬的應(yīng)用價(jià)值非常大,但是,目前還在早期階段,而且,如何批量生產(chǎn)1nm的晶體管還沒(méi)有解決,但是,這并不妨礙二硫化鉬在未來(lái)集成電路的前景。
持續(xù)加碼先進(jìn)制程是一場(chǎng)冒險(xiǎn)?
當(dāng)前,芯片由先進(jìn)制程帶來(lái)的性能、功耗回報(bào)正在顯著降低。近幾個(gè)月,搭載5nm制程工藝SOC的智能手機(jī)陸續(xù)上市。從這些手機(jī)的實(shí)際表現(xiàn)來(lái)看,無(wú)論是臺(tái)積電的5nm FinFET工藝,抑或三星的5nm LPE工藝,性能、功耗提升都未能滿(mǎn)足市場(chǎng)預(yù)期。
三星方面,功耗翻車(chē)的問(wèn)題比較突出。采用三星5nm LPE工藝的驍龍888處理器和上代產(chǎn)品驍龍865處理器對(duì)比,單核功耗和多核功耗明顯增加,能效表現(xiàn)上大幅下降。
臺(tái)積電方面,快步推進(jìn)的5nm,實(shí)際性能提升有些拉胯。以蘋(píng)果A系列處理器為例,同樣基于臺(tái)積電7nm制程,A13處理器相比A12處理器CPU性能提升20%、GPU性能提升20%;而基于臺(tái)積電5nm制程的A14相比A13,CPU 性能方面提升大約在16.7%左右,GPU性能提升則大約在8.3%左右。
也就是說(shuō),在蘋(píng)果A系列處理器上,5nm制程進(jìn)步帶來(lái)的進(jìn)步,很可能還比不上蘋(píng)果自己對(duì)處理器架構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)。雖然有一些業(yè)內(nèi)人士猜測(cè),這是由于5nm初期良品率不高,蘋(píng)果A14屏蔽了一些核心。但同樣采用臺(tái)積電5nm工藝的麒麟9000,其功耗控制較之官方數(shù)據(jù)也存在較大差異。
5nm先進(jìn)制程工藝的實(shí)際表現(xiàn)普遍稱(chēng)不上令人滿(mǎn)意,對(duì)于當(dāng)前階段使用5nm工藝的產(chǎn)品而言,其營(yíng)銷(xiāo)價(jià)值或許要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)先進(jìn)制程本身的實(shí)用價(jià)值。
更加令人感到不安的是,在當(dāng)前臺(tái)積電5nm制程工藝的實(shí)用價(jià)值都很成問(wèn)題的情況下,臺(tái)積電還在持續(xù)加大對(duì)下一代制程節(jié)點(diǎn)3nm工藝的研發(fā)投入。在近日的財(cái)報(bào)會(huì)議上,臺(tái)積電管理層宣布2021年計(jì)劃將年度資本開(kāi)支從2020年的170億美元大幅提升到250億至280億美元,增幅將達(dá)到45%至63%,其中約80%將用于3nm工藝研發(fā),這意味著,臺(tái)積電今年將會(huì)有超過(guò)150億美元的資本支出投向3nm工藝。
而根據(jù)臺(tái)積電此前公布的計(jì)劃,他們的3nm工藝,計(jì)劃在今年風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn),2022年大規(guī)模量產(chǎn)。也就是說(shuō),按照臺(tái)積電的規(guī)劃,明年在市場(chǎng)上我們就可以看到一些搭載臺(tái)積電3nm工藝的產(chǎn)品。
這依然符合臺(tái)積電近幾年來(lái)的先進(jìn)制程升級(jí)換代節(jié)奏,然而從產(chǎn)品的實(shí)際表現(xiàn)來(lái)看,高昂的代價(jià)并沒(méi)能完美實(shí)現(xiàn)預(yù)期中的效果。換而言之,臺(tái)積電現(xiàn)在很可能已經(jīng)觸碰到了資本投入和技術(shù)實(shí)現(xiàn)之間的一個(gè)瓶頸,忽視這一瓶頸而又急切想要實(shí)現(xiàn)3nm先進(jìn)制程工藝的臺(tái)積電,其實(shí)已經(jīng)陷入了一場(chǎng)極限技術(shù)冒險(xiǎn)。
評(píng)論