最贵iphone发布,7nm的半导体工艺极限,为什么现在又被突破了?

导言:北京时间9月13日凌晨1时,苹果发布史上最贵的iphone,其中7nm芯片的公布也引人注目,而这正是之前媒体报导的半导体工艺极限。

北京时间9月13日凌晨1时,苹果发布了新一代iphone,7nm芯片A12 Bionic也在公众面前露面,而半个月前,华为也已经推出了基于7nm制程的麒麟980芯片。

这不禁让人想起之前各大媒体的报导, 7nm制程工艺最逼近硅基半导体工艺的物理极限,那么为什么现在又被突破了呢?其实更准确的说法应该是,“为什么原来说7nm工艺是半导体工艺的极限,但现在又出现了5nm工艺,3nm工艺呢”?


芯片上集成了太多太多的晶体管,晶体管的栅极控制着电流能不能从源极流向漏极,晶体管的源极和漏极之间基于硅元素连接。随着晶体管的尺寸逐步缩小,源极和漏极之间的沟道也会随之缩短,当沟道缩短到一定程度时,量子隧穿效应就会变得更加容易。晶体管便失去了开关的作用,逻辑电路也就不复存在了。2016年的时候,有媒体在网络上发布一篇文章称,“厂商在采用现有硅材料芯片的情况下,晶体管的栅长一旦低于7nm、晶体管中的电子就很容易产生量子隧穿效应,这会给芯片制造商带来巨大的挑战”。所以,7nm工艺很可能,而非一定是硅芯片工艺的物理极限。


(注释:Source为源极,Drain为漏极,Gate为栅极。)


据业内人士分析,“台积电的3nm制程,很可能才是在摩尔定律下最后的工艺节点,并且台积电的3nm工艺会是关键的转折点,以衔接1nm工艺及1nm之下的次纳米新材料工艺”。前不久,台积电的创始人兼董事长张忠谋也表示,摩尔定律在半导体行业中起码还可存续10年,这其中就包括5nm工艺、3nm工艺,而台积电会不会研发,以及能否研发出2nm工艺,则需要再等几年才能确定。

最后要说的是,即便硅基芯片终有一天非常地接近物理极限,人们还可以寻找到其他如采用新材料等技术路径来驱动计算性能持续提升。

在半导体行业,所谓工艺极限是特定而相对的,特定指的是7nm极限是在半导体FinFET工艺下的物理极限;而相对的意思是每次遇到瓶颈的时候,工业界都会引入新的材料或结构来克服传统工艺的局限性。


10年前我们遇到了65nm的工艺极限,工业界引入了HKMG,用High-K介质取代了二氧化硅;

5年前我们遇到了22nm的工艺极限,工业界发明了FinFET和FD-SOI,前者用立体结构取代平面器件来加强栅极的控制能力,后者用氧化埋层来减小漏电;

现在7nm是新的工艺极限,工业界使用了砷化铟镓取代了单晶硅沟道来提高器件性能。


当然这里面的代价也是惊人的,每一代工艺的复杂性和成本都在上升,现在还能够支持最先进工艺制造的厂商已经只剩下Intel、台积电、三星和GlobalFoundries了。至于7nm以下,就要依赖极紫外(EUV)光刻机了。


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