【科普】芯片工藝的"7nm" 、"5nm"到底指什么
發(fā)布人：旺材芯片
時(shí)間：2023-07-29
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1.摩爾定律
1965年，英特爾公司（Intel）的創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾應(yīng)邀為《電子學(xué)》雜志35周年?？瘜懥艘黄^察評(píng)論報(bào)告，題目是：“讓集成電路填滿更多的元件”。在摩爾開始繪制數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的趨勢(shì)：每個(gè)新芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個(gè)芯片的產(chǎn)生都是在前一個(gè)芯片產(chǎn)生后的18-24個(gè)月內(nèi)。如果這個(gè)趨勢(shì)繼續(xù)，計(jì)算能力相對(duì)于時(shí)間周期將呈指數(shù)式的上升。
即著名的摩爾定律，歸納起來(lái)主要有3種版本：
1、集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個(gè)月就翻一番
2、微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，而價(jià)格下降一半
3、用一美元所能買到的計(jì)算機(jī)性能，每隔18個(gè)月翻兩番
摩爾定律并不是一個(gè)物理或數(shù)學(xué)定律，只是一個(gè)總結(jié)。
根據(jù)摩爾定律，每隔18個(gè)月，芯片規(guī)模不變的情況下，芯片面積是原來(lái)的二分之一。假設(shè)新工藝的良率和成本與原來(lái)一致，理論上來(lái)說(shuō)，相同的晶圓，芯片的產(chǎn)量翻倍，成本減半。而且采用新工藝的芯片，性能、功耗、面積都更優(yōu)。
制程一般按照“數(shù)字+nm”的表達(dá)形式，在早期，制程節(jié)點(diǎn)命名與晶體管的Gate Length和Half-pitch Size有關(guān)。
首先對(duì)于二極管和由Metal Wire組成的集成電路，Gate Length表示二極管Gate極的寬度，而Half-pitch Size代表的是芯片內(nèi)部互聯(lián)線間距離的一半，也即光刻間距的一半。
總的來(lái)說(shuō)，制程節(jié)點(diǎn)越小意味著晶體管越小、速度越快、能耗表現(xiàn)越好。
為什么臺(tái)積電、三星都有10nm,7nm,5nm這些制程節(jié)點(diǎn)呢，這些節(jié)點(diǎn)是否有一定的規(guī)律？
首先回到摩爾定律，下一代工藝的芯片面積是上一代的一半。
假設(shè)按照正方形來(lái)計(jì)算，設(shè)兩代工藝的晶體管尺寸分別為x，y?？傻?/span>
可知下一代工藝晶體管的尺寸基本上是上一代工藝的0.7。
下圖是目前主流制程節(jié)點(diǎn)的半導(dǎo)體制造廠商情況，從180nm開始算，基本上符合這種數(shù)學(xué)關(guān)系，這就是摩爾定律的偉大之處，幾十年前總結(jié)的規(guī)律和現(xiàn)在的芯片制程幾乎吻合。
目前臺(tái)積電和三星最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)是5nm, 那么可以推算出接下來(lái)的工藝就是3nm，2nm，1nm。
2.優(yōu)化再優(yōu)化
但是上圖中有幾個(gè)數(shù)字很顯得與眾不同，就是40nm、28nm、20nm、14nm。這涉及到芯片制造廠的常用手段——shrink。
芯片工藝的研發(fā)需要很大的成本，尤其是芯片制程的不斷縮小，研發(fā)成本可以用恐怖來(lái)形容，比如研發(fā)28nm工藝，需要耗費(fèi)5130萬(wàn)美元；而到了7nm節(jié)點(diǎn)，費(fèi)用將提升到2.97億美元。
如果說(shuō)可以在當(dāng)前工藝節(jié)點(diǎn)上持續(xù)優(yōu)化，能最大程度地利用原有投入成本。
Shrink本質(zhì)上就是利用MASK等比例縮小晶體管的尺寸，再通過一些方式修修補(bǔ)補(bǔ)，使其仍然能夠正常工作。
這些shrink后的工藝節(jié)點(diǎn)，也被人稱為半節(jié)點(diǎn)。目前shrink大約可以把晶體管尺寸縮小為原來(lái)的0.9。
那么40nm就是45nm shrink后的半節(jié)點(diǎn)（它們可認(rèn)為是同一工藝節(jié)點(diǎn)，只是廠家進(jìn)行了優(yōu)化），以此類推。
優(yōu)化后的半節(jié)點(diǎn)更成熟，優(yōu)勢(shì)更多，慢慢廠家就主推這些半節(jié)點(diǎn)了。所以14nm要比16nm更多地出現(xiàn)我們的視野中。
3.我們被“騙”了
但是，一個(gè)原子直徑大約為0.1nm，那么現(xiàn)在的5nm工藝豈不是只有50個(gè)原子的長(zhǎng)度，是否有些夸張了。
在前面說(shuō)過制程節(jié)點(diǎn)與晶體管的Gate Length和Half-pitch Size有關(guān)，實(shí)際上到了28nm以下，由于采用finfet這些新技術(shù)，兩者基本就匹配不上了。
在摩爾定律提出的前三十年，新工藝制程的研發(fā)并不困難，但隨著特征尺寸越來(lái)越接近宏觀物理和量子物理的邊界，現(xiàn)在高級(jí)工藝制程的研發(fā)越來(lái)越困難，研發(fā)成本也越來(lái)越高。
如果工藝制程繼續(xù)按照摩爾定律所說(shuō)的以指數(shù)級(jí)的速度縮小特征尺寸，會(huì)遇到兩個(gè)阻礙，首先是經(jīng)濟(jì)學(xué)的阻礙，其次是物理學(xué)的阻礙。
經(jīng)濟(jì)學(xué)的阻礙是，隨著特征尺寸縮小，由于工藝的復(fù)雜性設(shè)計(jì)規(guī)則的復(fù)雜度迅速增大，導(dǎo)致芯片的成本迅速上升。至于物理學(xué)的障礙主要來(lái)源于量子效應(yīng)和光刻精度。幾十個(gè)原子那么厚，會(huì)產(chǎn)生諸多量子效應(yīng)，導(dǎo)致晶體管的特性難以控制。
如果保持節(jié)點(diǎn)名稱和實(shí)際特征尺寸同步，會(huì)如下圖紅線所示，在2015年，芯片工藝的實(shí)際尺寸就會(huì)達(dá)到1nm。
但目前的工藝曲線和藍(lán)線更符合。
那也就是說(shuō)摩爾定律早就失效了？事實(shí)上摩爾定律在不停地維護(hù)和修正，主要由ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductor）來(lái)制定來(lái)討論合適的制程發(fā)展速度。ITRS制定了一個(gè)節(jié)點(diǎn)介紹的總體路線圖以及這些節(jié)點(diǎn)將針對(duì)的功能尺寸，這個(gè)路線圖為芯片制造行業(yè)的上下游（光刻設(shè)備廠家、刻蝕設(shè)備廠家、材料廠家、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)等）提供導(dǎo)引作用。
通過修正，工藝節(jié)點(diǎn)和晶體管尺寸并不是完全一致了。
4.營(yíng)銷還是營(yíng)銷
所以現(xiàn)在的7nm、5nm就是個(gè)數(shù)字，僅此而已，和技術(shù)實(shí)際沒啥聯(lián)系。
總的來(lái)說(shuō)，這就是一種芯片制造行業(yè)面向大眾一種默認(rèn)“營(yíng)銷”手段。
早年間英特爾還是比較堅(jiān)持初心的，將名稱和制程盡可能聯(lián)系起來(lái)（但也沒有完全遵循尺寸模型），所以就有了“14nm+++”擠牙膏傳說(shuō)。
英特爾說(shuō)了，大家不要瞎扯，什么7nm、5nm的，我們直接看單位面積的晶體管數(shù)量。也就是下面的公式
雖然英特爾的10nm和臺(tái)積電的7nm看起來(lái)是兩代，但晶體管密度基本一樣，如下圖。
但是這對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)太復(fù)雜了，怎么能有5nm、3nm宣傳效果好呢。
臺(tái)積電7nm、5nm口號(hào)喊得十分響亮啊，眼看要領(lǐng)先英特爾10nm“兩三代”工藝了。再加上近兩年采用了臺(tái)積電工藝的AMD處理器（除晶體管密度外，還有其他的一些關(guān)鍵參數(shù)決定了一款處理器的性能）讓廣大消費(fèi)者喊出了“AMD，YES！”。
英特爾也慢慢坐不住了，去年就改變了自家的命名規(guī)則，直接宣稱4年內(nèi)進(jìn)入“埃米”時(shí)代（
，比小更?。?。
摩爾定律通過修正依舊在發(fā)揮作用，但工藝制程的更新?lián)Q代越來(lái)越慢了。
據(jù)說(shuō)明年蘋果的A17芯片將采用臺(tái)積電的3nm工藝，但現(xiàn)在我們知道3nm僅僅就是個(gè)代號(hào)，比現(xiàn)在5nm技術(shù)更新了一代，和數(shù)字上的3nm沒什么關(guān)系了。
-End-
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