为啥说10nm芯片好芯片制程工艺科普AET

IDM(集成器件制造商)指Intel、IBM、三星这种拥有自己的晶圆厂,集芯片设计、制造、封装、测试、投向消费者市场五个环节的厂商,一般还拥有下游整机生产。

Fabless(无厂半导体公司)则是指有能力设计芯片架构,但本身无厂,需要找代工厂代为生产的厂商,知名的有ARM、NVIDIA、高通、苹果和华为。

Foundry(代工厂)则指台积电和GlobalFoundries,拥有工艺技术代工生产别家设计的芯片的厂商。我们常见到三星有自己研发的猎户座芯片,同时也会代工苹果A系列和高通骁龙的芯片系列,而台积电无自家芯片,主要接单替苹果和华为代工生产。

制程

在描述手机芯片性能的时候,消费者常听到的就是22nm、14nm、10nm这些数值,这是什么?

这是芯片市场上,一款芯片制程工艺的具体数值是手机性能关键的指标。制程工艺的每一次提升,带来的都是性能的增强和功耗的降低,而每一款旗舰手机的发布,常常与芯片性能的突破离不开关系。

骁龙835用上了更先进的10nm制程,在集成了超过30亿个晶体管的情况下,体积比骁龙820还要小了35%,整体功耗降低了40%,性能却大涨27%。

深入来说,这几十纳米怎么计算出来的?我们从芯片的组成单位晶体管说起。

得益于摩尔定律的预测,走到今天,比拇指还小的芯片里集成了上亿个晶体管。苹果A10Fusion芯片上,用的是台积电16nm的制造工艺,集成了大约33亿个晶体管。

而一个晶体管结构大致如下:

图中的晶体管结构中,电流从Source(源极)流入Drain(漏级),Gate(栅极)相当于闸门,主要负责控制两端源极和漏级的通断。电流会损耗,而栅极的宽度则决定了电流通过时的损耗,表现出来就是手机常见的发热和功耗,宽度越窄,功耗越低。而栅极的最小宽度(栅长),就是XXnm工艺中的数值。

对于芯片制造商而言,主要就要不断升级技术,力求栅极宽度越窄越好。不过当宽度逼近20nm时,栅极对电流控制能力急剧下降,会出现“电流泄露”问题。为了在CPU上集成更多的晶体管,二氧化硅绝缘层会变得更薄,容易导致电流泄漏。

一方面,电流泄露将直接增加芯片的功耗,为晶体管带来额外的发热量;另一方面,电流泄露导致电路错误,信号模糊。为了解决信号模糊问题,芯片又不得不提高核心电压,功耗增加,陷入死循环。

还有一个难题,同样是目前10nm工艺芯片在量产遇到的。

另外,骁龙835用上了10nm的制程工艺,设计制造成本相比14nm工艺增加接近5成。大厂需要持续而巨大的资金投入到10nm芯片量产的必经之路。

就目前阶段,三星已经尝试向当前的工艺路线图中添加8nm和6nm工艺技术,台积电方面则继续提供16nmFinFET技术的芯片,开始着力10nm工艺的同时,预计今年能够样产7nm工艺制程的芯片。

FinFET

除了制程,还有工艺技术。

在这一代骁龙835上,高通选择了和三星合作,使用三星最新的10nmFinFET工艺制造。同样,三星自家的下一代旗舰猎户座8895用的也是用此工艺。

FinFET是什么?

业界主流芯片还停留在20/22nm工艺节点上的时候,Intel就率先引入了3DFinFET这种技术。后来三星和台积电在14/16nm节点上也大范围用上了类似的FinFET技术。下面我们统称为FinFET。

FinFET(FinField-EffectTransistor)称为鳍式场效应晶体管,是一种新的晶体管,称为CMOS。具体一点就是把芯片内部平面的结构变成了3D,把栅极形状改制,增大接触面积,减少栅极宽度的同时降低漏电率,而晶体管空间利用率大大增加。

因为优势明显,目前已经被大规模应用到手机芯片上。

经历了14/16nm工艺节点后,FinFET也历经升级,但这种升级是存在瓶颈的。目前,大厂们正研究新的FD-SOI(全耗尽绝缘体硅)工艺、硅光子技术、3D堆叠技术等,斥资寻求技术突破,为日后7nm、甚至5nm工艺领先布局。

LPE/LPP/LPC/LPU又是什么?

在工艺分类上,芯片主要分两大类:

·HP(HighPerformance):主打高性能应用范畴;

·LP(LowPower):主打低功耗应用范畴。

满足不同客户需求,HP内部再细分HPL、HPC、HPC+、HP和HPM五种。

HP和LP之间最重要区别就在性能和漏电率上,HP在主打性能,漏电率能够控制在很低水平,芯片成本高;LP则更适合中低端处理器使用,因为成本低。

所以,芯片除了在制程上寻求突破,工艺上也会逐步升级。

2014年底,三星宣布了世界首个14nmFinFET3D晶体管进入量产,标志着半导体晶体管进入3D时代。发展到今天,三星拥有了四代14nm工艺,第一代是苹果A9上面的FinFETLPE(LowPowerEarly),第二代则是用在猎户座8890、骁龙820和骁龙625上面的FinFETLPP(LowPowerPlus)。第三代是FinFETLPC,第四代则是目前的FinFETLPU。至于10nm工艺,三星则更新到了第三代(LPE/LPP/LPC)。

目前为止,三星已经将70000多颗第一代LPE(低功耗早期)硅晶片交付给客户。三星自家的猎户座8895,以及高通的骁龙835,都采用这种工艺制造,而10nm第二代LPP版和第三代LPU版将分别在年底和明年进入批量生产。

不知不觉,手机芯片市场上已经进入了10nm、7nm处理器的白热化竞争阶段,而14/16nm制程的争夺也不过是一两年前的事。

之前有人怀疑摩尔定律在今天是否还适用,就芯片的进化速度和技术储备来看,不是技术能力达不到,而是厂商们的竞争程度未必能逼迫它们全速前进。

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