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高端芯片设计

10nm芯片后 “芯”的战争还得这样继续下去

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12月7日,接纳三星10nm工艺制造的高通骁龙835跑分遭到曝光。就在一天后,即2016年12月8日,接纳台积电10nm工艺制造的华为麒麟970也遭到媒体曝光。此前,英特尔宣称,将于2017年宣布接纳自家10nm工艺制造的移动芯片,格罗方德也声称自研10nm工艺。

  四家芯片巨头纷纷进入10nm芯片领域,预示着芯片界的竞争水平提升到新品级。那么,芯片界的这场“战争”会结束吗,芯片的未来又在哪里呢?

  芯片集成度仍将连续提高

  1995年起,芯片制造工艺从0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.15μm、0.13μm,生长到90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、14nm,再到即将到来的10nm,芯片的制程工艺不绝生长,集成度不绝提高,这一趋势还将连续下去。

  2016年12月8日,台积电声称,将在2017年初开始7nm的设计定案,并在2018年初量产,对5nm、3nm和2nm工艺的相关投资事情也已开始。此前,三星购置了ASML的NXE3400光刻机,为生产7nm芯片作准备,并计划在2018年上半年实现量产。

  虽然在硅晶体管的尺寸缩小到一定水平时会爆发量子效应,导致晶体管的特性难以控制。不过,短期内,缩减制程尺寸,提高芯片集成度仍是芯片厂商推动芯片向前生长的偏向,7nm、5nm、3nm、2nm工艺将一步步加剧芯片厂商之间的竞争。

  新技术将获得应用

  除了FinFIT技术外,三星、英特尔等芯片厂商近些年纷纷投入到FD-SOI(全耗尽绝缘体硅)工艺、硅光子技术、3D堆叠技术等的研究中,以求突破FinFET的制造极限,拥有更多的主动权。种种新技术中,犹以3D堆叠技术为研究重点。

  3D堆叠技术通过在存储层上叠加逻辑层,将芯片的结构由平面型升级建立体型,大大缩短互连线长度,使得数据传输更快,所受滋扰更小。

  目前,这样的3D技术在理论层面已有较大进展,并在实践中获得开端应用。2013年,三星推出了3D圆柱形电荷捕获型栅极存储单位结构技术,笔直堆叠可达24层。同年,台积电与Cadence相助开发出了3D-IC的参考流程。2015年,英特尔和美光相助推出了3D XPoint技术,使用该技术的存储芯片目前已经量产。

  新技术的降生,为当下芯片开辟了全新的生长领域,这也势必加剧芯片厂商的竞争水平。

  新质料将进入芯片领域

  目前,制造芯片的原质料以硅为主。不过,硅的物理特性限制了芯片的生长空间。2015年4月,英特尔宣布,在抵达7nm工艺之后将不再使用硅质料。

  III-V族化合物、石墨烯等新质料为突破硅基芯片的瓶颈提供了可能,成为众多芯片企业研究的焦点,尤其是石墨烯。

  相比硅基芯片,石墨烯芯片拥有极高的载流子速度、优异的等比缩小特性等优势。IBM体现,石墨烯中的电子迁移速度是硅质料的10倍,石墨烯芯片的主频在理论上可达300GHz,而散热量和功耗却远低于硅基芯片。麻省理工学院的研究发明,石墨烯可使芯片的运行速率提升百万倍。

  制约石墨烯芯片的最大因素是石墨烯的本钱问题,不过随着制作工艺已逐渐成熟,石墨烯的本钱呈下降趋势,石墨烯芯片量产的日子也不会太远。2011年底,宁波墨西科技建成年产300吨的石墨烯生产线,每克石墨烯销售价格只要1元。2016年4月,华讯方舟做出了石墨烯太赫兹芯片。

  新质料为芯片的生长提供了全新的偏向,具有极大的潜力,已成为芯片厂商把控未来趋势、占领制高点的必争领域,而这也将使得芯片厂商之间的竞争日益庞大。

  从芯片降生至今,芯片领域的立异从未停止,各厂商之间的竞争也从未停歇。应变硅技术成绩了90nm时代,一种栅介质新质料成绩了45nm时代,三栅极晶体管成绩了22nm时代,FinFET技术成绩了当下的芯片时代。

  未来, 3D堆叠等新技术、石墨烯等新质料将连续推动芯片领域的立异与生长,芯片厂商之间的竞争领域也将延伸,从智能手机扩展到互联网汽车、VR、人工智能等,竞争将日趋庞大和猛烈。人类对科学无尽的探索,将使得芯片行业的这场“战争”继续下去。


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