人類陷入“制程焦慮”，但芯片真的越小越好么

以下文章來源于品玩 ，作者洪雨晗

知名芯片調(diào)研公司IC Insights曾做過一個有趣的估算，如果想追趕上全球最大的晶圓代工廠臺積電，起碼需要五年時間外加一萬億人民幣。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(jī)、平板、電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品賴以運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵；在經(jīng)濟(jì)價值上，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(zhàn)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(mào)關(guān)系……

但有意思的是，事實(shí)上，并非所有芯片工廠都在拼命追求制程。全球前五的晶圓代工廠——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年時已放棄對12nm制程的研發(fā)，當(dāng)時還是全球第二大芯片代工廠的格羅方德也隨后宣布放棄7nmFinFET工藝的研發(fā)。如今，縱觀全球的晶圓代工廠（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)有不少門道。

芯片的先進(jìn)制程，簡單來說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(shù)字越小對應(yīng)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)化歷史來看，芯片的研發(fā)主要遵循著摩爾定律，即每18個月到兩年間，芯片的性能會翻一倍，使一塊芯片內(nèi)裝上盡可能多的晶體管來提升芯片性能。

上個世紀(jì)80年代，芯片內(nèi)晶體管的大小進(jìn)入微米級，再到2004年，芯片內(nèi)的晶體管已微縮至納米級別。此時，問題陸續(xù)出現(xiàn)了，納米級別的晶體管的集成度和精細(xì)化程度非常高，要知道一個原子就有0.1nm，在人類物理認(rèn)知極限上的工藝難度可想而知。

如今出現(xiàn)的最具代表的兩個問題是短溝道效應(yīng)和量子隧穿難題。短溝道效應(yīng)（short-channel effects）是指“當(dāng)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道長度降低到十幾納米、甚至幾納米量級時，晶體管出現(xiàn)的一些效應(yīng)”。這些效應(yīng)主要包括“閾值電壓隨著溝道長度降低而降低、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(yīng)”。

被這些復(fù)雜的技術(shù)術(shù)語繞懵了吧，其實(shí)簡單來說就是，因為晶體管是一個有三個端口的管子——電子從源端跑到漏端，借此完成信息的傳遞，而決定“跑”的節(jié)奏的是其中的一個“開關(guān)”，也就是柵端。它的開關(guān)由端口對應(yīng)的電壓變化來決定。

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

短溝道效應(yīng)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(nèi)的晶體管就會不停漏電，導(dǎo)致芯片發(fā)熱和功耗嚴(yán)重，進(jìn)而影響使用壽命。

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

胡正明教授 

但是到了3nm階段，F(xiàn)inFET的三面柵的控制作用減弱，短溝道效應(yīng)再次凸顯。直到下一世代的晶體管結(jié)構(gòu)即所謂Gate-All-Around環(huán)繞式柵極技術(shù)（簡稱為GAA結(jié)構(gòu)）出現(xiàn)，問題才得以緩解。它可以簡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(yùn)算功耗與操作溫度，從而繼續(xù)為摩爾定律續(xù)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)路線圖 

然而，當(dāng)制程繼續(xù)往下走時，又一個難題出現(xiàn)在眼前——量子隧穿效應(yīng)帶來的漏電流。該原理已涉及到量子力學(xué)相關(guān)理論，可以簡單理解為當(dāng)材料逼近1nm的物理極限時，有一定的電子可以跨過勢壘，從而漏電。這個問題對于人類來說暫時是無解的，因為物理理論還沒有搞清楚這個現(xiàn)象。

可以說不管是FinFET結(jié)構(gòu)還是GAA結(jié)構(gòu)，都是人類通過工藝手段來逼近自己的理論極限，但實(shí)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)對芯片產(chǎn)業(yè)來說是一件無比困難的事情，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(jù)SEMI國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會的芯片主流設(shè)計成本模型圖，采用FinFET工藝的5nm芯片設(shè)計成本已是28nm工藝設(shè)計成本的近8倍，更復(fù)雜的GAA結(jié)構(gòu)耗費(fèi)的設(shè)計成本只會更多，這僅僅只是芯片設(shè)計、制造、封裝、測試中的設(shè)計環(huán)節(jié)，晶圓代工廠實(shí)際研發(fā)技術(shù)、建廠、買生產(chǎn)設(shè)備耗費(fèi)的資金會更多，如今年三星在美國得克薩斯州計劃新建的5nm晶圓廠預(yù)計投資170億美金。

來源：SEMI

對臺積電和三星來說投資數(shù)百億美金來建造一座先進(jìn)制程的晶圓廠是可以承受的，因為它們已有穩(wěn)定的客戶訂單和巨大芯片銷量來分擔(dān)成本，但對于制程相對落后者來說，這是難以承受的。

從成本上它們技術(shù)不成熟，還需要花更多的時間、資金成本來突破新技術(shù)；芯片質(zhì)量上來說，即便強(qiáng)如三星在生產(chǎn)采用5nm芯片的高通驍龍888時，也遭外界詬病功耗“翻車”、發(fā)熱嚴(yán)重等問題，后來者更難在開始階段就保證芯片的良品率和性能；從客戶上來說，采用價格更高的先進(jìn)制程的客戶有限，近來手機(jī)、平板、PC等消費(fèi)電子已增長趨緩，在存量市場下新入局者如非價格和性能上更優(yōu)，沒有機(jī)會能爭奪過三星和臺積電的客戶，況且這些老牌霸主先進(jìn)制程的研發(fā)成本已被巨額銷量所稀釋，成本只會更低。

況且，現(xiàn)今全球的缺芯潮缺的更多是成熟制程的芯片。以汽車行業(yè)為例，目前緊缺的為MCU芯片（Microcontroller Unit，微控制器），汽車的ESP車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)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，整個業(yè)界技術(shù)非常成熟了，廠家對芯片的成本控制也不會相差太多，三星、臺積電在該領(lǐng)域?qū)β?lián)電、中芯國際來說沒有什么絕對優(yōu)勢。如今，成熟制程芯片極缺，只要有晶圓代工廠有產(chǎn)能就不愁銷售不出去，完全不會遇到先進(jìn)制程中的種種問題，對格羅方德和聯(lián)電來說，現(xiàn)在投資先進(jìn)制程可以說是吃力不討好的事情，兩家廠商最近紛紛擴(kuò)產(chǎn)的也都是成熟制程晶圓廠。

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有手機(jī)、平板那么苛刻，它們更關(guān)注的是芯片在各類極端環(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(biāo)，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(xì)小的先進(jìn)制程芯片所難以達(dá)到的。

先進(jìn)制程雖好，但實(shí)現(xiàn)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)心的話題，而且人們天天討論的往往都是誰達(dá)到了幾納米，誰停留在幾納米，但對于一個復(fù)雜而龐大的芯片產(chǎn)業(yè)來說，制程并不是衡量芯片價值的唯一標(biāo)準(zhǔn)。