ipfs矿机团购(www.ipfs8.vip):人类陷入“制程焦虑”,但芯片真的越小越好么

着名芯片调研公司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一万亿人民币。这里追赶的工具,指的就是台积电在芯片先进制程上的制造能力。

芯片先进制程的魔力不需赘述,在手艺上它是手机、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1197.87亿元人民币的净利润;在战略主要性层面,芯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,并非所有芯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芯片代工厂的格罗方德也随后宣布放弃7nmFinFET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及更小芯片制程的只有台积电、三星以及稍后一步的英特尔(7nm已taped-in)。

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

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

上个世纪80年月,芯片内晶体管的巨细进入微米级,再到2004年,芯片内的晶体管已微缩至纳米级别。此时,问题陆续泛起了,纳米级其余晶体管的集成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沟道效应和量子隧穿难题。短沟道效应(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纳米、甚至几纳米量级时,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绕懵了吧,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,借此完成信息的转达,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,因此转达信息需要的时间也就是芯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”,也就是所谓的短沟道效应。

短沟道效应对纳米级芯片造成的影响就是,由于管子管不住电,以是只要一通电,芯片内的晶体管就会一直泄电,导致芯片发烧和功耗严重,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,从而减小短沟道效应。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

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然则到了3nm阶段,FinFET的三面栅的控制作用削弱,短沟道效应再次凸显。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,从而降低操作电压、削减泄电,降低芯片运算功耗与操作温度,从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,从而泄电。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,都是人类通过工艺手段来迫近自己的理论极限,但实现这些结构对芯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芯片企业望洋兴叹。

据SEMI国际半导体产业协会的芯片主流设计成本模子图,接纳FinFET工艺的5nm芯片设计成本已是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,这仅仅只是芯片设计、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,现在年三星在美国得克萨斯州设计新建的5nm晶圆厂预计投资170亿美金。

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芯片销量来分管成本,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;芯片质量上来说,即便强如三星在生产接纳5nm芯片的高通骁龙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芯片的良品率和性能;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,现今全球的缺芯潮缺的更多是成熟制程的芯片。以汽车行业为例,现在紧缺的为MCU芯片(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芯片,它主要由8英寸晶圆生产,芯片的制程普遍在45-130nm之间。

28nm及以上的芯片工艺都可以叫做成熟制程,整个业界手艺异常成熟了,厂家对芯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,成熟制程芯片极缺,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,先进制程芯片反而没有成熟制程芯片可靠。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,对芯片的功耗、发烧和占用面积上并没有手机、平板那么苛刻,它们更关注的是芯片在各种极端环境下的可靠性和耐久度。

如,民用芯片、工业芯片和军用芯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、军用级芯片另有抗滋扰、抗袭击甚至航空航天级其余抗辐射等等要求,这些反而是更周详、更细小的先进制程芯片所难以到达的。

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  •  IPFS挖矿
     发布于 2021-06-15 00:01:22  回复
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