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芯片工艺竞争不断升级 极限在哪里?

导读: 2016年12月7日,采用三星10nm工艺制造的高通骁龙835跑分遭到曝光。8日,采用台积电10nm工艺制造的华为麒麟970也遭到媒体曝光。此前,英特尔宣称,将于2017年发布采用自家10nm工艺制造的移动芯片。

2016年12月7日,采用三星10nm工艺制造的高通骁龙835跑分遭到曝光。8日,采用台积电10nm工艺制造的华为麒麟970也遭到媒体曝光。此前,英特尔宣称,将于2017年发布采用自家10nm工艺制造的移动芯片。

几个月前,GlobalFoundries宣布将会推进7nm FinFET工艺。三星也购买了ASML的NXE3400光刻机,为生产7nm芯片作准备,并计划在2018年上半年实现量产。近日,台积电又声称,将在2017年初开始7nm的设计定案,并在2018年初量产,对5nm、3nm和2nm工艺的相关投资工作也已开始。

从14nm到10nm,从10nm到7nm,还有所谓的5nm、3nm和2nm,芯片工艺的竞争程度不断升级。那么,芯片界的这场“战争”会结束吗?芯片工艺的未来又在哪里呢?

现阶段的芯片工艺技术上,近年来除了FinFIT技术外,三星、英特尔等芯片厂商纷纷投入到FD-SOI(全耗尽绝缘体硅)工艺、硅光子技术、3D堆叠技术等的研究中,以求突破FinFET的制造极限,拥有更多的主动权。各种新技术中,犹以3D堆叠技术为研究重点。

3D堆叠技术通过在存储层上叠加逻辑层,将芯片的结构由平面型升级成立体型,大大缩短互连线长度,使得数据传输更快,所受干扰更小。

目前,这样的3D技术在理论层面已有较大进展,并在实践中得到初步应用。2013年,三星推出了3D圆柱形电荷捕获型栅极存储单元结构技术,垂直堆叠可达24层。同年,台积电与Cadence合作开发出了3D-IC的参考流程。2015年,英特尔和美光合作推出了3D XPoint技术,使用该技术的存储芯片目前已经量产。

材料上,目前制造芯片的原材料以硅为主。不过,硅的物理特性限制了芯片的发展空间,正在逐渐被弃用。

2015年,IBM及合作伙伴三星、GlobalFoundries展示7nm工艺芯片时,使用的是硅锗材料。使用这种材料的晶体管开关速度更快,功耗更低,而且密度更高,可以轻松实现200亿晶体管,晶体管密度比目前的硅基半导体高出一个量级。2015年4月,英特尔也宣布,在达到7nm工艺之后将不再使用硅材料。

III-V族化合物、石墨烯等新材料为突破硅基芯片的瓶颈提供了可能,成为众多芯片企业研究的焦点,尤其是石墨烯。

相比硅基芯片,石墨烯芯片拥有极高的载流子速度、优异的等比缩小特性等优势。IBM表示,石墨烯中的电子迁移速度是硅材料的10倍,石墨烯芯片的主频在理论上可达300GHz,而散热量和功耗却远低于硅基芯片。麻省理工学院的研究发现,石墨烯可使芯片的运行速率提升百万倍。

并且,随着制作工艺已逐渐成熟,石墨烯原本高昂的成本开始呈下降趋势。2011年底,宁波墨西科技建成年产300吨的石墨烯生产线,每克石墨烯销售价格只要1元。2016年4月,华讯方舟做出了石墨烯太赫兹芯片。

芯片工艺的发展和影响*摩尔定律

说到芯片的发展,就不得不提先一下主宰半导体发展的摩尔定律。

1965年,仙童半导体公司的工程师戈登·摩尔撰文指出,半导体电路集成的晶体管数量将每年增加一倍,性能提升一倍;之后又修正为每两年增加一倍,这就是著名的摩尔定律。

半导体工业的发展已经符合摩尔定律超过半世纪了,虽然近几年有放缓迹象,但是摩尔定律依然会持续下去。

(Intel对半导体工艺的进展预期)

1971年,Intel发布了第一个处理器4004,它采用10微米工艺生产,仅包含2300多个晶体管。

1995年起,芯片制造工艺从0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.15μm、0.13μm,发展到90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、14nm,再到目前最新的10nm。

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