电子芯片 2021年5/3nm芯片之战

从2007年高通首款采用65nm工艺的骁龙S1面世，到2020年底新推出的5nm工艺的骁龙888，处理器工艺节点实现了数代演进，性能、功耗、面积和成本都取得巨大发展。osKednc

此前有消息指出，在经历两代7nm节点产品（骁龙855和865）由台积电（TSMC）生产后，2021年高通计划将其首款搭载5nm工艺的骁龙888转交三星生产。与此同时，苹果的iPhone 12系列和iPad Air 2020中的A14 Bionic，以及华为Mate 40系列中所采用的麒麟9000芯片组，则采用TSMC最新的5nm工艺生产。但根据最新消息，由于三星5nm功耗翻车，骁龙888仍将有赖于TSMC支持。osKednc

一方面，代工厂正在加紧各自5nm工艺的市场进程，另一方面，下游芯片商又必须在基于5nm工艺设计下一代芯片，还是转向3nm或更先进节点之间做出决定。osKednc

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图1：台积电工艺节点路线图。（图片来源：WikiChip）osKednc

这就可能影响到在3nm节点是延续现有的FinFET技术发展，还是在3nm或2nm节点采用最新的环栅晶体管（GAAFET）技术。GAAFET是从FinFET演变而来，这种新晶体管可提供更好的性能，但是难以制造、价格昂贵，因此迁移起来就可能很痛苦。从好的方面来说，业界正在开发新的蚀刻、图案化等技术，以帮助向这些节点发展铺平道路。osKednc

GAAFET推出的时间表可能因代工厂而异。三星和台积电都采用FinFET生产7nm，也都采用FinFET过渡到5nm。这些工艺节点可同时实现速度和功耗的改进。但是到未来的3nm，三星计划转移到纳米片FET之类的GAAFET技术。同时，台积电则计划首先在3nm推出FinFET，然后在3nm的后期或2nm推出GAAFET。台积电将FinFET延续到3nm的举动合乎逻辑——转向新晶体管可能给客户带来潜在的干扰。但是最终FinFET就行不通了，所以台积电后续只能迁移到环栅。osKednc

其他公司也都在开发高级工艺。英特尔目前正在交付10nm产品并在研发7nm（英特尔的10nm与代工厂的7nm类似。同时，中芯国际正在加强16nm/12nm FinFET布局，其10nm/7nm则处于研发中。osKednc

所有高级工艺都很烧钱，而且并非所有芯片都需要3nm等高级工艺。实际上，由于成本不断上升，许多人都在探索其他方案。获得扩展优势的另一种方法是将高级芯片集成到同一个封装中。多家公司都在开发新的高级封装类型。osKednc

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图2：平面晶体管、FinFET与纳米片FET三者对比。（图片来源：三星）osKednc

微型化是否走到了尽头？

芯片由三部分组成：晶体管、触点和互连。晶体管用作器件中的开关。高级芯片拥有多达350亿个晶体管。osKednc

互连位于晶体管的顶部，由微小的铜布线方案组成，用于将电信号从一个晶体管传输到另一个晶体管。晶体管和互连之间通过中间工序（MOL）连接，MOL由微小的接触结构组成。osKednc

IC微型化是推进设计的传统方法，它是将每个工艺节点的晶体管规格缩小，然后将其集成到单个裸片上。osKednc

因此，芯片制造商每18到24个月就会通过晶体管密度的提高而推出一种新工艺技术。每种工艺都会取一个数字节点名称。最初，节点名称与晶体管栅极长度尺寸相关。osKednc

在每个节点上，芯片的晶体管规格都是微缩0.7倍，这样，在相同的功率下性能就提高40%，面积就减少50%。芯片微型化技术让新的电子产品实现了更多功能。osKednc

芯片制造商在迈向各个工艺节点的过程中都遵循这个趋势。但是，到20nm时，传统的平面晶体管就行不通了，这时就发生了很大的改变。从2011年开始，芯片制造商开始向FinFET迁移，从而延续摩尔定律的发展。osKednc