2nm芯片應該怎么造？臺積電給出“終極答案”！

為了延續摩爾定律，科學家們想盡了方法……

隨著先進制程下發熱和漏電現象愈發難以控制，各家芯片巨頭都在尋找新的工藝突破。

在最近舉行的一場半導體行業大會上，臺積電南京公司總經理羅鎮球介紹了2nm制程的最新動態。

圖 | 源自網絡

羅鎮球表示，臺積電將在2nm節點使用全新的nanosheet/nanowire（納米片/納米線）晶體管結構取代目前主流的FinFET工藝。

有趣的是，三星在3nm節點就已經采用新工藝，但因為制造技術難度大，量產計劃被迫推遲，有點“起了大早，趕了晚集”的意思。

如今，兩家半導體巨頭將在2nm節點迎來一次“正面交鋒”。

放棄FinFET，新工藝挑戰摩爾定律極限

2nm工藝有多夸張？

按照臺積電的說法，要在指甲蓋大?。?00mm²）的芯片上安裝490億個晶體管，這聽上去就如同天方夜譚。

但工程師們總有新辦法：如果能將晶體管像積木一樣堆疊起來，那么就能有效減少電路的占位面積，那么晶體管的密度或許就能翻倍。

這種設計思路廣泛被下一代新工藝采納，例如此次臺積電采用的nanosheet、英特爾主導的nanowire以及三星采用的GAA工藝（Gate-All-Around，全環繞柵極晶體管），本質上都大同小異。

用一個簡單的例子來描述新結構：在最早的Planar工藝下，半導體材料如同一張2D平面的白紙；到了FinFET時代，這張白紙被折成了3D的鰭（Fin）狀，縮小了閘長。而如今為了放下更多晶體管，半導體材料像積木一樣被堆疊起來，就如同高樓大廈一樣立體，最終可以容下更多晶體管。

除了解決晶體管密度問題以外，新工藝另一個目的是為了解決高溫以及漏電（leakage）現象。

在2nm節點，集成電路的線寬接近電子波長，精細程度幾乎達到了原子級別，理論上量子隧穿效應已經來到物理極限。

圖 | 歷代工藝示意圖

在這種情況下，電子很容易通過隧穿效應穿透絕緣層，使器件無法正常工作。

這樣的漏電不僅白白浪費了電能，更是引起芯片嚴重發熱的原因，同時也解釋了一些芯片為什么功耗過高。

而在這樣的前提之下，如果芯片設計商在設計環節繼續“翻車”，那么最終結果就是誕生出“火龍888”這樣高功耗的產品。

正是因為這樣的不確定性與各種悲觀，老邁的FinFET工藝已經力不從心，但科學家們顯然不會輕易放棄摩爾定律。

以相對成熟的三星GAA工藝（Gate-All-Around、全環繞柵極晶體管）為例，三星將原有FinFET工藝中鰭狀改良成多路橋接鰭片，截面為水平板狀或者水平橢圓柱狀。

按照三星的說法，同樣是7nm節點，使用GAA工藝可以將電壓下降至0.7V，并且能夠提升35%的性能、降低50%的功耗和45%的芯片面積，這還只是最初的實驗品。

圖 | GAA工藝橫截面

除了三星的方案以外，其他幾家公司也推出不同的結構：

類似nanowire的鰭片為圓柱狀；其他設計包括環狀、六邊形狀、片狀等等，根據不同的場合有不同的改變。

但無論是哪種方案，理論上都是為了更好地控制電流，讓先進制程成為現實。

圖 | GAA工藝下，工作電壓變化

萬事俱備，只欠金錢？

雖然這些技術都在實驗室實現了，但是距離量產還有數不清的困難。

其中最大的障礙是：錢。

研究機構Semiengingeering曾統計了不同工藝下芯片所需費用，其中28nm節點要5130萬美元投入，16nm節點需要1億美元，7nm節點需要2.97億美元，5nm節點需要5.42億美元。

圖 | 芯片流片的成本圖

到了3nm工藝，價格直接翻到了10億美元，更先進的2nm工藝又該花費多少呢？

擺在芯片代工廠面前的不止有物理上的摩爾定律，不為人知的摩爾第二定律也開始凸顯出來：“新晶圓廠的成本每四年翻一番”。

按照臺積電的說法，新建5nm工廠將需要至少投資300億美元，就以美國鳳凰城5nm工廠為例，在政府巨額補貼下，臺積電仍需投資120億美元，只要靠海運降低成本，后續依然需要不小開支。

當然，燒錢的不只是技術突破和建廠，建造2nm的配套設施同樣價格不菲，比如光刻機、刻蝕機等等。

目前來說，GAA工藝要求EUV光刻機的配合，但是目前EUV光刻機還不夠成熟，芯片產能和速度都不夠快，因此只能做到每小時90片晶圓，但業內期望速度至少每小時125片，那么只能依靠其他工藝或是購入更多EUV光刻機，但一臺EUV光刻機的價格高達1.5億歐元，而且不是有錢就能買到的。

所以除了三星、臺積電和英特爾三家廠商以外，其他廠商已經很難承受先進制程下的高額成本。

2nm何時能走出實驗室？

此前，IBM曾宣布率先制造出2nm芯片，但業內人士表示“這就是在忽悠”，從設計上看依然是5nm工藝水平，只不過在命名上玩了“文字游戲”。

后來IBM解釋道，他們的“2納米”依然沿用Planar工藝的命名方式，實際上比臺積電的7nm工藝有大約50%的提升，遠遠達不到2nm芯片的要求。

從這個小插曲就可以看出來，雖然在理論和實驗室得到了驗證，但2nm芯片的商業化依然離我們有些遙遠。

除了錢以外，2nm工藝自身依然存在很多現實問題需要解決。

一方面是新材料，傳統的硅材料是否還能堅持到2nm節點呢？

最新消息，全球頂級半導體科學家在今年的IEEE國際芯片導線技術會議上將導電性、導熱性更好的石墨烯定為2nm及以下制程工藝芯片的關鍵材料，但事實上，碳基芯片同樣需要解決成本問題。

另一方面則回到商業化的問題，芯片設計商們是否跟得上臺積電和三星的節奏呢？

目前，高通驍龍和聯發科雖然緊跟最新技術，但功耗控制上并不如人意；而蘋果芯片又受臺積電良品率限制，只能暫緩了新芯片的研發進度；三星自家芯片又體量過小，很難產生影響力。

據悉，臺積電會對3nm制程量產中的問題進行改良，引入增強的N3E制程，這將成為2nm節點前的過渡工藝，這或許能讓芯片設計商和手機廠商有足夠的時間進行打磨。

總的來看，以目前的技術儲備，2nm時代或許不再是難題。

那么到了1nm時代甚至更先進節點，科學家們還能帶來什么樣的驚喜呢？

最后，記得關注微信公眾號：鎂客網（im2maker），更多干貨在等你！