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问:摩尔定律说硅基芯片的物理极限是7nm,为什么台积电还能做出5nm的芯片?

自家的 7nm 制程的芯片还没见到影子,三星就急着用嘴“抢发”了 3nm 工艺。

最近半导体先进工艺的争夺战可以说是愈演愈烈。

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近日,三星在其晶圆制造论坛上公布了一个重磅消息,三星正在开发一个名为 Gate All Around 的技术,它将把三星的制程工艺推向 3nm ,并在 2022 年实现量产。

日前,三星在美国SFF晶圆代工论坛上发布了新一代逻辑工艺路线图,暗示其2021年要量产3nm工艺,以压制台积电彼时的5nm工艺。在其之后不到一个月,台积电就官方宣布正式启动2nm工艺研发,不失为有力回应。

摩尔定律指的是在价格不变的情况下,芯片上可容纳晶体管数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

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7nm,5nm,3nm,2nm...

从当前芯片制造来看,要实现摩尔定律,芯片制造工艺必须不断提升。工艺节点从90nm、65nm、40nm、28nm、16nm到现在的7nm,芯片厂家不遗余力地减小晶体管栅极宽度来达到工艺的升级,但到了7nm之后,晶体管的漏电问题越来越严重,单纯靠减少晶体管栅极宽度的方法已经无法提升芯片制造工艺。

当然,长期关注芯片行业的同学都懂得,和“老冤家”台积电形成鲜明对比,三星的调性一向是“说得比做得漂亮”,在信守承诺这件事儿上,最好不要对其抱有太多期待,尤其是在 7nm 量产还看不到影子的现在。

如同开了外挂一般,不声不响,神仙打架的一招一式都是互不相让,亦精彩纷呈,让观者目不暇接。

这个时候各厂家各显神通,采用不同的方法解决漏电问题。intel的高介电薄膜、SOI、鳍式场效电晶体技术等等技术应运而生。不过难度越来越大,各大厂家受阻严重,GlobalFoundaries放弃7nn研发,intel的10nm一推再推,目前7nm量产顺利的主要就是台积电和三星了。

三星喊出的预期进展,我们听听就好,但三星同时宣布的 GAA 技术却值得一波关注,在突破传统制程工艺 5nm 的限制后,“摩尔定律”的故事要怎样讲下去呢?

对摩尔定律的焦虑:半导体工艺真的到极限了?

台积电的5nm预计明年Q1量产,华为的最新麒麟990预计将采用5nm工艺。而最新的新闻,台积电的3台积电的5nm预计明年Q1量产,华为的最新麒麟990预计将采用5nm工艺。而最新的新闻,台积电的3nm工艺已经启动,预计2022年量产,后面的工艺进步越来越难,需要新的技术上的突破。

1971 年 11 月 15 日,英特尔在美国《电子新闻报》上刊登了一则广告,广告的主角是一种新型芯片,它可以根据你的指令来执行不同的操作。

不得不说,不去看这两家各自打得如何激烈,仅这场架的行为本身传达出的信号就着实让人有些摸不着头脑。一反外界的悲观态势,晶圆制造厂发展势头迅猛且毫无畏惧,这在当下多少有些反常。

摩尔定律只是对未来半导体发展的一个预测,可以对定律进行更改,技术的发展,预测没有那么准确。

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目前,一颗芯片上至少有数亿个晶体管,nm单位可以简单看成是单个晶体管尺寸大小。按照摩尔定律,随着晶体管尺寸越来越小,理论上相同大小的处理器性能会有显著提升,同时功耗相对会降低。因此某种程度上,半导体工艺的发展与产业整体成长紧密相关。

摩尔定律的极限数值难以界定,不断突破

像之前按照摩尔定律芯片里面的晶体管是每一年可以增加一倍的数量,现在应该就不是这个数量了。如果现在是7纳米的制程,用定律来看物理极限就会定位5纳米。芯片的物理极限很难用数据来界定,只能是接近原子的尺寸。

这枚芯片就是 Intel 4004,人类历史上第一枚微型电脑处理器,它在 3mm×4mm 的尺寸里塞进了 2300 个晶体管,采用了五层设计,10 微米制程,每秒运算9万次,代表了当时最先进的半导体器件制造水平。

有数据显示,1987年左右,半导体产业成长率高达40~50%,到了1990年代全球半导体产业的成长率在15%~16%,但到了2000年后,全球半导体产业成长率只有4%~5%,而后随着工艺逼近个位数量级,晶圆制造因制程带来的红利也似乎已经走到尽头。

芯片的纳米就是晶体管栅极的宽度,宽度越小,制程更先进

芯片里面有数亿计的晶体管,它的结构主要是由漏极、源极和栅极构成的,漏极和源极负责电流流通,栅极就起到开关控制的作用。像芯片的纳米其实就是晶体管栅极的宽度,栅极更短,同尺寸的晶圆上就可以加入更多的晶体管。像7纳米的芯片,栅极已经达到了极限,再缩短的话就会使电子移动的距离不够,出现漏电的现象发生。

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因此2018年,整个半导体产业对制程上的担忧是明显的,“半导体工艺到达物理极限”言论一度甚嚣尘上,摩尔定律失效也成为诸多半导体人口中惯常的论调。

新型鱼翅形晶体管和技术升级助力5纳米制程

台积电可以做到5纳米,芯片研发科学家林本坚贡献了很大的力量,他提出了独特的芯片技术方法,将新型鱼翅形的晶体管植入到发丝大小的半导体。这种新型的晶体管体积更小,加上新的技术使芯片制程上升了一个档次,甚至还可以突破3纳米。

未来新的技术和材料在不断的研发中,极限尺寸也在缩短,对于摩尔定律的发展起到了推进作用。

摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

从以上可以看出,“”摩尔定律“”并非一个科学理论,而是个人主观臆断。在近半个世纪几乎符合这个判断,但进入21世纪以来,芯片的制造的速度放缓,性能提升更是缓慢,是这个推断已经破产。

从理论上,这种推断也是站不住脚的,凡事都有个极限,当越接近极限更进一步就要比前面困难得多,所需的时间也更长。

芯片的制程,如提问中的硅5纳米,和摩尔定律没有任何关系,尽管摩尔定律是一个错误的个人臆断。

芯片上集成了太多太多的晶体管,晶体管的栅极控制着电流能不能从源极流向漏极,晶体管的源极和漏极之间基于硅元素连接。随着晶体管的尺寸逐步缩小,源极和漏极之间的沟道也会随之缩短,当沟道缩短到一定程度时,量子隧穿效应就会变得更加容易。晶体管便失去了开关的作用,逻辑电路也就不复存在了。

据业内人士分析,“台积电的3nm制程,很可能才是在摩尔定律下最后的工艺节点,并且台积电的3nm工艺会是关键的转折点,以衔接1nm工艺及1nm之下的次纳米新材料工艺”。

台积电的创始人兼董事长张忠谋也表示,摩尔定律在半导体行业中起码还可存续10年,这其中就包括5nm工艺、3nm工艺,而台积电会不会研发,以及能否研发出2nm工艺,则需要再等几年才能确定。

最后要说的是,即便硅基芯片终有一天非常非常地接近物理极限,人们还可以寻找到其他如采用新材料等技术路径来驱动计算性能持续提升。

在半导体行业,所谓工艺极限是特定而相对的,特定指的是7nm极限是在半导体FinFET工艺下的物理极限;而相对的意思是每次遇到瓶颈的时候,工业界都会引入新的材料或结构来克服传统工艺的局限性。

10年前我们遇到了65nm的工艺极限,工业界引入了HKMG,用High-K介质取代了二氧化硅。

5年前我们遇到了22nm的工艺极限,工业界发明了FinFET和FD-SOI,前者用立体结构取代平面器件来加强栅极的控制能力,后者用氧化埋层来减小漏电。

现在7nm是新的工艺极限,工业界使用了砷化铟镓取代了单晶硅沟道来提高器件性能。

当然这里面的代价也是惊人的,每一代工艺的复杂性和成本都在上升,现在还能够支持最先进工艺制造的厂商已经只剩下Intel、台积电、三星和GlobalFoundries了。

至于7nm以下,就要依赖极紫外(EUV)光刻机了。

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1965年4月19日,《电子学》杂志第114页发表了摩尔撰写的文章《让集成电路填满更多的组件》,正式宣告了摩尔定律的诞生。

纯硅基芯片的物理极限的确是7nm,低于7nm硅原子就会出现电子漂移,但人们通过研究在硅基上参入金属离子,在源极和漏极埋下一层强电介质膜来解决了漏电问题。

当年比尔盖茨还说不管什么时候对谁来说640K的内存足够用了[抠鼻]

会出现量子隧穿效应,也就是说,电子本来在一条线路上自由前行,可不知为啥,就突然跳转到另一条线路上!

除了芯片体积小还有其他优势吗?

摩尔定律说:“我没说过!”

现在,没有人知道硅基芯片的物理极限!但极限一定有!

也就是在这枚芯片诞生的 6 年前,戈登·摩尔提出以自己名字命名的「摩尔定律」,这位英特尔的联合创始人提出了一个大胆的设想:集成电路上可容纳的元器件的数量每隔 18 至 24 个月就会增加一倍,性能也将提升一倍。

当时,张忠谋曾站出来辟过一次谣,称半导体工艺距离物理极限还有8—10年,而延续摩尔定律的另一条路是在封装工艺上发力,即向上堆叠。言下之意,张忠谋认为短期内半导体产业的利润点不会因工艺存在大幅下跌,未来并没有那么悲观。后来任正非在谈到这一点时,也表示解决的方法比较多,未来新的技术也将能够保持整个行业的成长活力。至此,无法跟上摩尔定律带来的焦虑才稍减半分。

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回顾历史,因将集成度与晶体管价格描述为反比关系,摩尔定律一直是描述半导体产业经济学效益的一种推测手段,但作为对发展趋势的分析预测理论,摩尔定律也是在质疑与自我验证中徘徊发展。

工程师们很给力,在此后的 40 年多间,尽管包括英伟达 CEO 黄仁勋在内的大佬们,时不时就会发出“摩尔定律已死”的感叹,但这些言论总以更高制程芯片诞生的打脸定律而告终。

最为显著的预测是在晶圆制造上,摩尔定律认为在制程技术不断进步的前提下,每隔18个月,IC的产量将提升一倍,换个角度来看,其成本将降低50%。因至关重要,人们对制程工艺的关心和怀疑也没有减弱过。因此当半导体芯片主流制程技术为90nm时,有人认为45nm将成为物理极限;当制程技术达到45nm时,有的观点认为22nm将成为极限;而此前7nm也一度被认为是半导体工艺的极限。

1992 年,英特尔奔腾处理器采用了 0.8 微米的制程。

容易发现,类似我们当下对能够看见的物理极限2nm甚至1nm产生怀疑与担忧一般,整个产业的情绪其实早就反复出现。因此在2018年整个产业悲观声音之下,仍然有业内人士认为,这份因“数字”变化带来的焦虑有其合理之处,却也不尽然。

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从IDM到Foundry,技术驱动晶圆制造产业发展

1996 年,0.35 微米制程芯片出现在任天堂游戏机上,成为了塞尔达传说、超级马里奥等景点游戏背后的底层技术基础。

提到nm工艺,绕不开Intel、三星与台积电这三家在先进工艺上有着卓越贡献的公司。作为先进制程工艺的代言人们,Intel是唯一活跃在公众面前的传统IDM公司,三星的工厂则与台积电一样,承接Foundry业务。

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作为奠定近年半导体工艺发展的厂商之一,自10nm之后与三星、台积电之战中“败”下阵来,Intel一直在努力调整以使其主要制程工艺技术走上正轨。但是即便在市场中落败,作为曾经的工艺界大牛,Intel对整个产业的贡献是卓越的。

2004 年,包括 IBM、英特尔、AMD、英飞凌在内的厂商先后推出了 90nm 芯片,制程工艺第一次从 μm 微米进化到了 nm 纳米。