人類(lèi)陷入“制程焦慮”，但芯片真的越小越好么

以下文章來(lái)源于品玩 ，作者洪雨晗

知名芯片調研公司IC Insights曾做過(guò)一個(gè)有趣的估算，如果想追趕上全球最大的晶圓代工廠(chǎng)臺積電，起碼需要五年時(shí)間外加一萬(wàn)億人民幣。這里追趕的對象，指的就是臺積電在芯片先進(jìn)制程上的制造能力。

芯片先進(jìn)制程的魔力不需贅述，在技術(shù)上它是手機、平板、電腦等消費電子產(chǎn)品賴(lài)以運轉的關(guān)鍵；在經(jīng)濟價(jià)值上，掌握先進(jìn)制程能力的臺積電2020年創(chuàng )造了1197.87億元人民幣的凈利潤；在戰略重要性層面，芯片已關(guān)系到產(chǎn)業(yè)安全乃至地緣之間的經(jīng)貿關(guān)系……

但有意思的是，事實(shí)上，并非所有芯片工廠(chǎng)都在拼命追求制程。全球前五的晶圓代工廠(chǎng)——臺積電、三星、聯(lián)電、格羅方德、中芯國際中，中芯國際在制程工藝上不停追趕，然而排名三四號位的聯(lián)電、格羅方德都已幾乎放棄了先進(jìn)制程的研究。

聯(lián)電在2018年時(shí)已放棄對12nm制程的研發(fā)，當時(shí)還是全球第二大芯片代工廠(chǎng)的格羅方德也隨后宣布放棄7nmFinFET工藝的研發(fā)。如今，縱觀(guān)全球的晶圓代工廠(chǎng)（Foundry）和IDM模式（Integrated Device Manufacture），實(shí)際有能力生產(chǎn)7nm及更小芯片制程的只有臺積電、三星以及稍后一步的英特爾（7nm已taped-in）。

為何各大芯片廠(chǎng)商紛紛放棄對先進(jìn)制程的研制呢？制程更小的芯片性能就一定更好嗎？這其中其實(shí)有不少門(mén)道。

芯片的先進(jìn)制程，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把芯片從大做小，具體是指芯片晶體管柵極寬度的大小，數字越小對應晶體管密度越大， 芯片功耗越低，性能越高，但要實(shí)際做到這一點(diǎn)卻并不容易。從芯片的進(jìn)化歷史來(lái)看，芯片的研發(fā)主要遵循著(zhù)摩爾定律，即每18個(gè)月到兩年間，芯片的性能會(huì )翻一倍，使一塊芯片內裝上盡可能多的晶體管來(lái)提升芯片性能。

上個(gè)世紀80年代，芯片內晶體管的大小進(jìn)入微米級，再到2004年，芯片內的晶體管已微縮至納米級別。此時(shí)，問(wèn)題陸續出現了，納米級別的晶體管的集成度和精細化程度非常高，要知道一個(gè)原子就有0.1nm，在人類(lèi)物理認知極限上的工藝難度可想而知。

如今出現的最具代表的兩個(gè)問(wèn)題是短溝道效應和量子隧穿難題。短溝道效應（short-channel effects）是指“當金屬氧化物半導體場(chǎng)效應管的導電溝道長(cháng)度降低到十幾納米、甚至幾納米量級時(shí)，晶體管出現的一些效應”。這些效應主要包括“閾值電壓隨著(zhù)溝道長(cháng)度降低而降低、漏致勢壘降低（Drain-induced barrier lowering）、載流子表面散射、速度飽和（Saturation velocity）、離子化和熱電子效應”。

被這些復雜的技術(shù)術(shù)語(yǔ)繞懵了吧，其實(shí)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，因為晶體管是一個(gè)有三個(gè)端口的管子——電子從源端跑到漏端，借此完成信息的傳遞，而決定“跑”的節奏的是其中的一個(gè)“開(kāi)關(guān)”，也就是柵端。它的開(kāi)關(guān)由端口對應的電壓變化來(lái)決定。

而由于大部分時(shí)候電子的速度都是全速運轉，因此傳遞信息需要的時(shí)間也就是芯片一定意義上的效率就由管道長(cháng)短決定。但是，當管道變得很短后，由于尺寸變小，長(cháng)溝道時(shí)本可以忽略的電場(chǎng)干擾就變多，導致柵端可能“關(guān)不嚴”，也就是所謂的短溝道效應。

短溝道效應對納米級芯片造成的影響就是，因為管子管不住電，所以只要一通電，芯片內的晶體管就會(huì )不停漏電，導致芯片發(fā)熱和功耗嚴重，進(jìn)而影響使用壽命。

直到1999年胡正明教授發(fā)明了鰭式場(chǎng)效應晶體管（Fin Field-Effect Transistor，簡(jiǎn)稱(chēng)FinFET）—— FinFET可以理解為加強柵對溝道的控制能力，從而減小短溝道效應。由此才在一定程度上延緩了這個(gè)問(wèn)題的辦法，如今臺積電、三星能做到5nm/7nm都依賴(lài)此項技術(shù)。

胡正明教授 

但是到了3nm階段，FinFET的三面柵的控制作用減弱，短溝道效應再次凸顯。直到下一世代的晶體管結構即所謂Gate-All-Around環(huán)繞式柵極技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)為GAA結構）出現，問(wèn)題才得以緩解。它可以簡(jiǎn)單理解為溝道被柵極四面包裹，從而降低操作電壓、減少漏電，降低芯片運算功耗與操作溫度，從而繼續為摩爾定律續命。如今三星的3nm和臺積電的2nm都已采用該技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。

三星技術(shù)路線(xiàn)圖 

然而，當制程繼續往下走時(shí)，又一個(gè)難題出現在眼前——量子隧穿效應帶來(lái)的漏電流。該原理已涉及到量子力學(xué)相關(guān)理論，可以簡(jiǎn)單理解為當材料逼近1nm的物理極限時(shí)，有一定的電子可以跨過(guò)勢壘，從而漏電。這個(gè)問(wèn)題對于人類(lèi)來(lái)說(shuō)暫時(shí)是無(wú)解的，因為物理理論還沒(méi)有搞清楚這個(gè)現象。

可以說(shuō)不管是FinFET結構還是GAA結構，都是人類(lèi)通過(guò)工藝手段來(lái)逼近自己的理論極限，但實(shí)現這些結構對芯片產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)是一件無(wú)比困難的事情，不僅技術(shù)難度陡然劇增，工藝成本也讓一般的芯片企業(yè)望洋興嘆。

據SEMI國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )的芯片主流設計成本模型圖，采用FinFET工藝的5nm芯片設計成本已是28nm工藝設計成本的近8倍，更復雜的GAA結構耗費的設計成本只會(huì )更多，這僅僅只是芯片設計、制造、封裝、測試中的設計環(huán)節，晶圓代工廠(chǎng)實(shí)際研發(fā)技術(shù)、建廠(chǎng)、買(mǎi)生產(chǎn)設備耗費的資金會(huì )更多，如今年三星在美國得克薩斯州計劃新建的5nm晶圓廠(chǎng)預計投資170億美金。

來(lái)源：SEMI

對臺積電和三星來(lái)說(shuō)投資數百億美金來(lái)建造一座先進(jìn)制程的晶圓廠(chǎng)是可以承受的，因為它們已有穩定的客戶(hù)訂單和巨大芯片銷(xiāo)量來(lái)分擔成本，但對于制程相對落后者來(lái)說(shuō)，這是難以承受的。

從成本上它們技術(shù)不成熟，還需要花更多的時(shí)間、資金成本來(lái)突破新技術(shù)；芯片質(zhì)量上來(lái)說(shuō)，即便強如三星在生產(chǎn)采用5nm芯片的高通驍龍888時(shí)，也遭外界詬病功耗“翻車(chē)”、發(fā)熱嚴重等問(wèn)題，后來(lái)者更難在開(kāi)始階段就保證芯片的良品率和性能；從客戶(hù)上來(lái)說(shuō)，采用價(jià)格更高的先進(jìn)制程的客戶(hù)有限，近來(lái)手機、平板、PC等消費電子已增長(cháng)趨緩，在存量市場(chǎng)下新入局者如非價(jià)格和性能上更優(yōu)，沒(méi)有機會(huì )能爭奪過(guò)三星和臺積電的客戶(hù)，況且這些老牌霸主先進(jìn)制程的研發(fā)成本已被巨額銷(xiāo)量所稀釋?zhuān)杀局粫?huì )更低。

況且，現今全球的缺芯潮缺的更多是成熟制程的芯片。以汽車(chē)行業(yè)為例，目前緊缺的為MCU芯片（Microcontroller Unit，微控制器），汽車(chē)的ESP車(chē)身電子穩定系統和ECU電子控制單元等都需要用到這種芯片，它主要由8英寸晶圓生產(chǎn)，芯片的制程普遍在45-130nm之間。

28nm及以上的芯片工藝都可以叫做成熟制程，整個(gè)業(yè)界技術(shù)非常成熟了，廠(chǎng)家對芯片的成本控制也不會(huì )相差太多，三星、臺積電在該領(lǐng)域對聯(lián)電、中芯國際來(lái)說(shuō)沒(méi)有什么絕對優(yōu)勢。如今，成熟制程芯片極缺，只要有晶圓代工廠(chǎng)有產(chǎn)能就不愁銷(xiāo)售不出去，完全不會(huì )遇到先進(jìn)制程中的種種問(wèn)題，對格羅方德和聯(lián)電來(lái)說(shuō)，現在投資先進(jìn)制程可以說(shuō)是吃力不討好的事情，兩家廠(chǎng)商最近紛紛擴產(chǎn)的也都是成熟制程晶圓廠(chǎng)。

在更廣闊的領(lǐng)域，如工業(yè)以及軍事領(lǐng)域，先進(jìn)制程芯片反而沒(méi)有成熟制程芯片可靠。先進(jìn)制程可以理解為同樣功耗、尺寸下可以獲得更好的性能，但在工業(yè)以及軍事領(lǐng)域，對芯片的功耗、發(fā)熱和占用面積上并沒(méi)有手機、平板那么苛刻，它們更關(guān)注的是芯片在各類(lèi)極端環(huán)境下的可靠性和耐久度。

如，民用芯片、工業(yè)芯片和軍用芯片所要求的正常工作的溫度范圍就有很大不同。民用級要求0℃~70℃、工業(yè)級要求-40℃~85℃、軍用級要求-55℃~125℃，這僅僅是溫度這一項指標，工業(yè)、軍用級芯片還有抗干擾、抗沖擊乃至航空航天級別的抗輻射等等要求，這些反而是更精密、更細小的先進(jìn)制程芯片所難以達到的。

先進(jìn)制程雖好，但實(shí)現難度既艱難適用范圍也有其局限性。雖然今天芯片已經(jīng)成了老百姓都在關(guān)心的話(huà)題，而且人們天天討論的往往都是誰(shuí)達到了幾納米，誰(shuí)停留在幾納米，但對于一個(gè)復雜而龐大的芯片產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，制程并不是衡量芯片價(jià)值的唯一標準。