三大晶圓廠競逐新型晶體管

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一場十年一次的變革正在進(jìn)行，涉及的是計(jì)算機(jī)芯片最基本的組成部分之一，它有可能在未來幾年重新洗牌芯片巨頭的排名。

英特爾(Intel)、三星(Samsung)和臺積電(TSMC)正競相實(shí)現(xiàn)晶體管技術(shù)的代際跨越。為了實(shí)現(xiàn)任何接近元宇宙背后的想法所要求的計(jì)算需求，為了產(chǎn)生不是笑話的人工智能，為了制造真正的自動駕駛汽車，甚至為了讓應(yīng)用程序加載更快，必須實(shí)現(xiàn)這一飛躍。

這種新一代設(shè)計(jì)被稱為“gate-all-around（GAA）”。使用新的材料，重新設(shè)計(jì)的制造工具，每一個都要花費(fèi)數(shù)千萬美元，新的gate完成了一件事:它們更嚴(yán)格地控制每個晶體管接收的電流?，F(xiàn)代芯片在一個設(shè)備上可以有超過300億個晶體管，在某些情況下甚至可以達(dá)到數(shù)百億個。Gartner預(yù)計(jì)，到2025年，芯片制造商將從這項(xiàng)新技術(shù)中獲得約50億美元的收入，而去年這一數(shù)字為零。

芯片公司必須每年提供更多的計(jì)算能力，才能實(shí)現(xiàn)科技巨頭們所承諾的未來。要做到這一點(diǎn)，需要使用地球上最復(fù)雜、最昂貴的制造設(shè)備，還需要開發(fā)更有創(chuàng)意的方法來改善芯片結(jié)構(gòu)的基本方面。這意味著將原子大小的特征變得更小。這個過程大致被稱為摩爾定律(Moore 's law)，它讓芯片行業(yè)蓬勃發(fā)展了半個世紀(jì)，但現(xiàn)在變得越來越難。

應(yīng)用材料副總裁Kevin Moraes說:“我們的收縮速度肯定在大幅放緩?！?/span>

芯片制造商通過結(jié)合先進(jìn)的工具來提高大批量生產(chǎn)和性能，比如極紫外光刻機(jī)和幫助在每塊硅上擠壓更多特性的技術(shù)。通常情況下，制造商將技術(shù)和技術(shù)的改進(jìn)作為使用越來越小的納米數(shù)的過程節(jié)點(diǎn)。

但另一種解決日益困難的問題的方法是進(jìn)一步完善每個芯片的基本組成部分:晶體管。

“制程節(jié)點(diǎn)只是衡量進(jìn)展的一個指標(biāo)，”J.Gold Associates首席分析師杰克?戈?duì)柕?Jack Gold)表示。“我認(rèn)為更重要的是晶體管本身的設(shè)計(jì)，而不僅僅是過程節(jié)點(diǎn)。為此，英特爾和其他公司一直在推進(jìn)晶體管的設(shè)計(jì)，尤其是gate的設(shè)計(jì)方式?！?/span>

更好的gate，更快的芯片

“gate”是每個晶體管上控制晶體管是否接收電力的微小部分——有點(diǎn)像用腳踩在花園水管上打開或關(guān)閉水——以表示組成數(shù)據(jù)位的0和1。但是，gate就像軟管一樣，可能是不完美的，即使采用最先進(jìn)的設(shè)計(jì)，也會有一些電流漏電。

FeibusTech分析師Mike Feibus說:“當(dāng)你開始把東西做得更小的時候，你會發(fā)現(xiàn)小元件的一些電氣特性不如大元件時的性能好?！薄坝幸粋€經(jīng)驗(yàn)法則，你的體積越小，電流泄漏越多，這就意味著更多的熱量?！?/span>

因?yàn)樾酒圃焐讨酪恍╇娔軙颖躦ate，繼續(xù)縮小功能以達(dá)到新設(shè)計(jì)預(yù)期的功耗和性能變得越來越困難。為了制造更高效、產(chǎn)生更少能量的gate和晶體管，芯片制造商花費(fèi)數(shù)十億美元發(fā)明下一個更好的開發(fā)方法。

MLCommons執(zhí)行董事David Kanter表示:“基于gate的全功能設(shè)計(jì)將比(現(xiàn)有)設(shè)計(jì)具有更好的性能和效率，可能會改變許多高性能產(chǎn)品的競爭地位?！?/span>

用材料包圍晶體管的四個部分，而不是現(xiàn)在的三面設(shè)計(jì)，可以使gate更好地調(diào)節(jié)電流。在芯片的原子尺度上，更好地控制電流給設(shè)計(jì)師提供了新的選擇:最重要的是，使它們更小。

更小的晶體管允許設(shè)計(jì)師將更多的晶體管壓縮到一個芯片上，而增加更多這樣的微小功能大致意味著芯片運(yùn)算能力的提高。

Feibus說:“有了更好的熱和功率特性，這意味著你可以在其他條件相同的情況下，提高電源的功率，你將擁有更高的時鐘速率，而且你不需要為高性能設(shè)計(jì)提供奇異的冷卻，這樣就可以降低成本?！?/span>

將新一代gate技術(shù)成功應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的制造商，將能夠制造出以目前工藝技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的計(jì)算能力飛躍的芯片。

跑的最快的

三家最大的芯片制造商都在努力研究如何利用這項(xiàng)前景廣闊的技術(shù)。這個問題并不是生產(chǎn)一批具有新功能的芯片;它正在生產(chǎn)數(shù)十萬甚至數(shù)百萬個芯片，其規(guī)模足以滿足最先進(jìn)技術(shù)的需求。

三星(Samsung)或許有優(yōu)勢。該公司高管之一金南·金(Kinam Kim)在近20年前與人合著了一篇有關(guān)這種新gate技術(shù)的早期技術(shù)論文。該公司是最早承諾生產(chǎn)下一代gate的公司之一，并討論了在2017年實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的路徑。今年4月，三星表示，該公司有望在今年用新處理器大量生產(chǎn)芯片。

然而，我們有理由對其進(jìn)展持懷疑態(tài)度。Gartner芯片分析師高拉夫?古普塔(Gaurav Gupta)表示，此前有大量報(bào)道稱，三星在確保其最新的制造工藝能夠生產(chǎn)足夠數(shù)量的工作芯片方面存在問題，并數(shù)次推遲了新gate的計(jì)劃發(fā)布日期。三星沒有回復(fù)記者的置評請求。

因此，即使蘋果公司在某些芯片上推出了新設(shè)計(jì)，對于要求可靠性的大客戶來說，這可能不是一個可行的選擇——例如，新iPhone的發(fā)布推遲6個月將對蘋果的業(yè)務(wù)造成災(zāi)難性的影響。

Gupta說:“三星一直在說，他們將是第一個在3納米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全能的公司。”他說:“他們一直在推動，接下來六個月，再六個月，再六個月。他們現(xiàn)在說，他們希望在今年年底之前完成?！?/span>

英特爾表示，其目前的計(jì)劃是在2024年面向大批量客戶推出這項(xiàng)技術(shù)。人們也有理由對英特爾的努力表示懷疑;該公司在過去幾代的生產(chǎn)改進(jìn)上經(jīng)歷了多年的拖延。它也是最后一個采用EUV光刻技術(shù)的公司，該技術(shù)被廣泛認(rèn)為是未來改進(jìn)的必要技術(shù)。英特爾發(fā)言人表示，該公司仍在朝著路線圖目標(biāo)前進(jìn)。

但英特爾是第一家成功地用當(dāng)前這一代gate大批量生產(chǎn)芯片的公司，這表明它擁有再次做到這一點(diǎn)的技術(shù)機(jī)構(gòu)知識。在首席執(zhí)行官帕特?蓋爾辛格的領(lǐng)導(dǎo)下，公司的發(fā)展方向比在他之前的混亂歲月要清晰得多。盡管如此，英特爾仍有很多事情需要證明，而蓋爾辛格計(jì)劃的一部分包括Gupta所稱的“非常激進(jìn)”的戰(zhàn)略，以重新奪回其制造業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位。

就目前的情況來看，臺積電將是最后一個采用新柵技術(shù)的主要制造商。高管們守口如瓶，該公司沒有回應(yīng)置評請求，但臺積電披露，計(jì)劃在2025年的某個時候推出這款產(chǎn)品。熟悉臺積電業(yè)務(wù)的人士表示，總體而言，臺積電是一家經(jīng)營保守的企業(yè)，如果可能的話，它傾向于規(guī)避風(fēng)險，采用一種新的、未經(jīng)驗(yàn)證的新gate技術(shù)是一個很大的風(fēng)險。

但與競爭對手相比，新市場對臺積電的影響可能要小一些。它的大多數(shù)客戶都購買智能手機(jī)芯片，該公司已經(jīng)證明，它可以用英特爾(Intel)和三星(Samsung)難以部署的EUV工具來制造這些芯片。因此，臺積電可能暫時可以使用其他技術(shù)，以使其硅材料的性能更佳，直到它能推出新的閘機(jī)設(shè)計(jì)。

Gupta說:“關(guān)鍵是，這一切都與動力和性能有關(guān)，在代工業(yè)務(wù)的先進(jìn)節(jié)點(diǎn)上，90%以上的客戶都是臺積電的客戶?！彼a(bǔ)充稱，如果臺積電使用現(xiàn)有g(shù)ate技術(shù)的制造優(yōu)于三星，那么臺積電就不會失去客戶。

對于芯片設(shè)計(jì)師來說，堅(jiān)持使用當(dāng)前這一代晶體管也有其優(yōu)勢。新的gate要求芯片設(shè)計(jì)的某些方面被廢棄，行業(yè)分析人士說，制造帶有新gate的芯片的道路很容易超過兩到三年。因此，如果像高通(Qualcomm)、AMD或英偉達(dá)(Nvidia)這樣的芯片制造商押注今年能夠推出新一代芯片，而這種情況沒有發(fā)生，它們可能會受到嚴(yán)重傷害。