芯片性能有望翻番！臺積電3nm工藝或于2年內準備就緒

　　10nm都還沒(méi)用上，這3nm就要來(lái)了，芯片制程工藝是否更新有點(diǎn)快？
臺積電3nm工藝或于2年內準備就緒
　　臺積電董事長(cháng)劉德音（Dr.Mark Liu）證實(shí)，該公司的下一代3nm芯片制造節點(diǎn)，正在按計劃推進(jìn)之中。作為全球知名的芯片代工制造商，臺積電當前正在建設3nm生產(chǎn)線(xiàn)，且有望明年轉入試生產(chǎn)。與5nm制程節點(diǎn)相比，3nm可提供幾乎翻番的邏輯密度，輔以11%的性能提升、或27%的能效改進(jìn)。
　　3nm較5nm制程的增益示例（圖via WCCFTech）
　　積電高管在早前的國際固態(tài)電路會(huì )議（ISSCC）演講期間的這番表態(tài)，證實(shí)了該公司對下一代制造技術(shù)的信心。
　　在滿(mǎn)足當前和未來(lái)產(chǎn)品的日益增長(cháng)需求的同時(shí)，即便汽車(chē)領(lǐng)域的產(chǎn)品需求有所提升，也不會(huì )對整體產(chǎn)能造成太大影響。
　　需要指出的是，部分媒體誤解了所謂的“3nm工藝提前”。畢竟在主題為《釋放創(chuàng )新未來(lái)》的27分鐘演講期間，高管并未直言此事，僅在開(kāi)頭和結尾對3nm開(kāi)發(fā)進(jìn)度“順口一提”。
　　為提升邏輯密度，需要對相關(guān)技術(shù)展開(kāi)協(xié)同優(yōu)化，同時(shí)也增加了一定的成本。
　　除了透露3nm技術(shù)的發(fā)展正在如期推進(jìn)且相當順利，劉德音還提供了對3nm工藝的最新數據、以及對工藝發(fā)展的看法。
　　他指出，到目前為止，臺積電已出貨約18億片基于7nm工藝節點(diǎn)的芯片。截止2020年，該公司一直是行業(yè)中的領(lǐng)跑者。
　　得益于極紫外光刻（EUV）技術(shù)，臺積電能夠實(shí)現更高的保真度、縮短周期、并降低工藝的復雜性和缺陷率。
　　值得一提的是，臺積電在5nm節點(diǎn)的十層掩模工藝中使用了EUV技術(shù)（具體包括線(xiàn)切割、接觸、金屬線(xiàn)圖案），并用單層EUV取代了早期的多層深紫外（DUV）工藝。
　　隨后劉德音強調了設計技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化（DTC），以及該方案在過(guò)去幾年中對芯片制造的重要性。對于芯片制造商來(lái)說(shuō)，這使得他們能夠同時(shí)使用設計和制造技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足性能要求。
　　此外DTCO使得臺積電在衡量節點(diǎn)的邏輯密度時(shí)超越了固有的縮放指標，比如接觸柵間距和最小金屬間距。
　　結合有源區上的柵極接觸、單擴散中斷、鰭片減少等特性，還可為3nm工藝節點(diǎn)帶來(lái)1.8倍于5nm的邏輯密度。
　　最后，劉德音披露了公司的未來(lái)計劃，包括開(kāi)發(fā)sub-3D材料和晶圓級單晶六方氮化硼。
　　兩者的特點(diǎn)是能夠在較低的制造溫度下，轉移至任意襯底上，從而為在三個(gè)維度上制造有源邏輯層和存儲層開(kāi)辟了新的道路。
　　此外臺積電對于低維材料的研究，包包括一維的碳納米管。借助這一晶體通道的關(guān)鍵，是開(kāi)發(fā)出一種柵極長(cháng)度較短的晶體管介電材料。
　　如上圖所示，研究表明這項技術(shù)已有實(shí)現的可能。具有高k柵極堆疊能力的新材料，很適合用于制造柵極長(cháng)度為10nm的晶體管。
　　當然，為了達成如此遠大的目標，臺積電還需要與芯片行業(yè)的所有同行緊密合作，以確保3nm工藝能夠發(fā)展到2倍于當前的性能。
　　考慮到該公司正在量產(chǎn)的5nm順應了這一趨勢，即將面世的3nm節點(diǎn)也有望遵循這一時(shí)間安排。
三星去年12月領(lǐng)先臺積電
　　臺積電如此積極地推動(dòng)技術(shù)革新，恐怕與三星去年12月領(lǐng)先臺積電成為全球頭號晶圓制造商有關(guān)。
　　據IC Insights報道，2020年12月期間，前五大晶圓制造商的全球產(chǎn)能占比增至54%。你可能會(huì )認為臺灣半導體制造公司(TSMC)會(huì )領(lǐng)先，考慮到它的客戶(hù)包括AMD、蘋(píng)果、高通和博通，但這家純代工廠(chǎng)的月產(chǎn)能卻比三星低了約40萬(wàn)片。
　　三星利潤豐厚的內存業(yè)務(wù)無(wú)疑是其奪得第一的重要原因，而NVIDIA則在其消費級安培產(chǎn)品線(xiàn)上使用了三星8nm工藝的定制版，在A(yíng)100加速器上堅持使用臺積電及其7nm FinFET工藝。
　　緊隨臺積電之后，產(chǎn)能排名第三的是美光科技，其月產(chǎn)能超過(guò)190萬(wàn)片。SK海力士排名第四(約185萬(wàn)片)，然后是存儲器IC供應商Kioxia排名第五(160萬(wàn)片)。英特爾擁有自己的制造廠(chǎng)，以每月88.4萬(wàn)片晶圓排在第六位。
　　芯片短缺所造成的問(wèn)題是有據可查的，影響的行業(yè)包括PC硬件、汽車(chē)和游戲機--甚至連拜登政府也參與其中希望解決這一問(wèn)題。