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手机新2管理端(www.9cx.net):人类陷入「制程焦虑」,但晶片真的是越小越好吗?_新2备用网址(www.122381.com)

admin2021-07-1537

新2备用网址

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着名晶片观察研究公司IC Insights曾做过一个有趣的估算,若是想追遇上全球最大的晶圆代工厂台积电,最少需要五年时间外加1570亿美金。这里追赶的工具,指的就是台积电在晶片先进制程上的制造能力。

晶片先进制程的魔力不需赘述,在技​​术上它是手机、平板、电脑等消费电子产物赖以运转的要害;在经济价值上,掌握先进制程能力的台积电2020年缔造了188亿美金的净利润;在战略主要性层面,晶片已关系到产业平安甚至地缘之间的经贸关系……

但有意思的是,事实上,并非所有晶片工厂都在拼命追求制程。全球前五的晶圆代工厂——台积电、三星、联电、格罗方德、中芯国际中,中芯国际在制程工艺上一直追赶,然而排名三四号位的联电、格罗方德都已险些放弃了先进制程的研究。

联电在2018年时已放弃对12nm制程的研发,那时照样全球第二大晶片代工厂的格罗方德也随后宣布放弃7nm FinFET工艺的研发。现在,纵观全球的晶圆代工厂(Foundry)和IDM模式(Integrated Device Manufacture),现实有能力生产7nm及更小晶片制程的只有台积电、三星以及稍晚一步的英特尔(7nm已taped-in)。

为何各大晶片厂商纷纷放弃对先进制程的研制呢?制程更小的晶片性能就一定更好吗?这其中实在有不少门道。

晶片的先进制程,简朴来说就是把晶片从大做小,详细是指晶片晶体管栅极宽度的巨细,数字越小对应晶体管密度越大, 晶片功耗越低,性能越高,但要现实做到这一点却并不容易。从晶片的进化历史来看,晶片的研发主要遵照着摩尔定律,即每18个月到两年间,晶片的性能会翻一倍,使一块晶片内装上尽可能多的晶体管来提升晶片性能。

上个世纪80年月,晶片内晶体管的巨细进入微米品级,再到2004年,晶片内的晶体管已微缩至奈米品级。此时,问题陆续泛起了,奈米品级的晶体管的整合度和细腻化水平异常高,要知道一个原子就有0.1nm,在人类物理认知极限上的工艺难度可想而知。

现在泛起的最具代表的两个问题是短通道效应和量子隧穿难题。短通道效应(short-channel effects)是指「当金属氧化物半导体场效应管的导电沟道长度降低到十几奈米、甚至几奈米量级时,晶体管泛起的一些效应」。这些效应主要包罗「阈值电压随着沟道长度降低而降低、漏致势垒降低(Drain-induced barrier lowering)、载流子外面散射、速率饱和(Saturation velocity)、离子化和热电子效应」。

被这些庞大的手艺术语弄晕了吧,实在简朴来说就是,由于晶体管是一个有三个端口的管子——电子从源端跑到漏端,借此完成讯息的转达,而决议「跑」的节奏的是其中的一个「开关」,也就是栅端。它的开关由端口对应的电压转变来决议。

而由于大部门时刻电子的速率都是全速运转,因此转达讯息需要的时间也就是晶片一定意义上的效率就由管道是非决议。然则,当管道变得很短后,由于尺寸变小,长沟道时本可以忽略的电场滋扰就变多,导致栅端可能「关不严」,也就是所谓的短通道效应。

短通道效应对奈米级晶片造成的影响就是,由于管子管不住电,以是只要一通电,晶片内的晶体管就会一直泄电,导致晶片发烧和功耗严重,进而影响使用寿命。

直到1999年胡正明教授发现晰鳍式场效应晶体管(Fin Field-Effect Transistor,简称FinFET)—— FinFET可以明白为增强栅对沟道的控制能力,进而减小短通道效应。由此才在一定水平上延缓了这个问题的设施,现在台积电、三星能做到5nm/7nm都依赖此项手艺。

胡正明教授

然则到了3nm阶段,FinFET的三面栅的控制作用削弱,短通道效应再次凸显。直到下一世代的晶体管结构即所谓Gate-All-Around围绕式栅极手艺(简称为GAA结构)泛起,问题才得以缓解。它可以简朴明白为沟道被栅极四周包裹,进而降低操作电压、削减泄电,降低晶片运算功耗与操作温度,进而继续为摩尔定律续命。现在三星的3nm和台积电的2nm都已接纳该手艺举行研发。

三星手艺蹊径图

 

然而,当制程继续往下走时,又一个难题泛起在眼前——量子隧穿效应带来的泄电流。该原理已涉及到量子力学相关理论,可以简朴明白为当质料迫近1nm的物理极限时,有一定的电子可以跨过势垒,进而泄电。这个问题对于人类来说暂时是无解的,由于物理理论还没有搞清晰这个征象。

可以说不管是FinFET结构照样GAA结构,都是人类透过工艺手段来迫近自己的理论极限,但实现这些结构对晶片产业来说是一件无比难题的事情,不仅手艺难度蓦然剧增,工艺成本也让一样平常的晶片企业望洋兴叹。

据SEMI国际半导体产业协会的晶片主流设计成本模子图,接纳FinFET工艺的5nm晶片设计成本已是28nm工艺设计成本的近8倍,更庞大的GAA结构花费的设计成本只会更多,这仅仅只是晶片设计、制造、封装、测试中的设计环节,晶圆代工厂现实研发手艺、建厂、买生产装备花费的资金会更多,现在年三星在美国德克萨斯州设计新建的5nm晶圆厂预计投资170亿美金。

图片泉源:SEMI

 

对台积电和三星来说投资数百亿美金来制作一座先进制程的晶圆厂是可以遭受的,由于它们已有稳固的客户订单和伟大晶片销量来分管成本,但对于制程相对落伍者来说,这是难以遭受的。

从成本上它们手艺不成熟,还需要花更多的时间、资金成原本突破新手艺;晶片品质上来说,即便强如三星在生产接纳5nm晶片的高通骁龙888时,也遭外界诟病功耗「翻车」、发烧严重等问题,厥后者更难在最先阶段就保证晶片的良品率和性能;从客户上来说,接纳价钱更高的先进制程的客户有限,最近手机、平板、PC等消费电子已增进趋缓,在存量市场下新入局者如非价钱和性能上更优,没有时机能争取过三星和台积电的客户,况且这些老牌霸主先进制程的研发成本已被巨额销量所稀释,成本只会更低。

况且,现今全球的缺晶潮缺的更多是成熟制程的晶片。以汽车行业为例,现在紧缺的为MCU晶片(Microcontroller Unit,微控制器),汽车的ESP车身电子稳固系统和ECU电子控制单元等都需要用到这种晶片,它主要由8英寸晶圆生产,晶片的制程普遍在45-130nm之间。

28nm及以上的晶片工艺都可以叫做成熟制程,整个业界手艺异常成熟了,厂家对晶片的成本控制也不会相差太多,三星、台积电在该领域对联电、中芯国际来说没有什么绝对优势。现在,成熟制程晶片极缺,只要有晶圆代工厂有产能就不愁销售不出去,完全不会遇到先进制程中的种种问题,对格罗方德和联电来说,现在投资先进制程可以说是吃力不讨好的事情,两家厂商最近纷纷扩产的也都是成熟制程晶圆厂。

在更广漠的领域,如工业以及军事领域,先进制程晶片反而没有成熟制程晶片可靠。先进制程可以明白为同样功耗、尺寸下可以获得更好的性能,但在工业以及军事领域,对晶片的功耗、发烧和占用面积上并没有手机、平板那么苛刻,它们更关注的是晶片在各种极端环境下的可靠性和耐久度。

如民用晶片、工业晶片和军用晶片所要求的正常事情的温度局限就有很大差异。民用级要求0℃~70℃、工业级要求-40℃~85℃、军用级要求-55℃~125℃,这仅仅是温度这一项指标,工业、军用级晶片另有抗滋扰、抗袭击甚至航空航太品级的抗辐射等等要求,这些反而是更周详、更细小的先进制程晶片所难以到达的。

先进制程虽好,但实现难度既艰难适用局限也有其局限性。虽然今天晶片已经成了老国民都在体贴的话题,而且人们天天讨论的往往都是谁到达了几奈米,谁停留在几奈米,但对于一个庞大而重大的晶片产业来说,制程并不是权衡晶片价值的唯一尺度。

 

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网友评论

2条评论
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