织梦CMS - 轻松建站从此开始!

焦点资讯网

当前位置: 焦点资讯网 > 科技 > 再次拯救摩尔定律:一文了然 GAA 芯片技术

再次拯救摩尔定律:一文了然 GAA 芯片技术

时间:2020-10-14 21:41来源: 作者:admin 点击: 9 次
2020年9月16日,苹果在秋季第一场新品发布会上推出了A14仿生芯片,在5nm工艺节点上成功抢得先机。接下来,犹抱琵琶半遮面的华为麒麟9000系列芯片也将在10月22日随Mate40系列手机一起推出,采用的自然也是5nm工艺。而12月1日-2日,高通会在2020年骁龙技术峰会上发布新一代5nm旗舰

2020 年 9 月 16 日,苹果在秋季第一场新品发布会上推出了 A14 仿生芯片,在 5nm 工艺节点上成功抢得先机。

接下来,犹抱琵琶半遮面的华为麒麟 9000 系列芯片也将在 10 月 22 日随 Mate40 系列手机一起推出,采纳的天然也是 5nm 工艺。

而 12 月 1 日 - 2 日,高通会在 2020 年骁龙技巧峰会上发布新一代 5nm 旗舰芯片骁龙 875,为安卓终端供给更广泛的支持。

这些芯片排队发布,意味着半导体工艺 5nm 的时代正在全面到来。

切实,当看到 5nm 的苹果 A14 芯片发布时,小编心里突然涌上一阵慨叹,半导体的制程工艺,从 10nm 到 7nm 再到往常的 5nm,进化的幅度越来越小,但每进一步,都是整个行业付出巨大研发成本的后果。

信任大家平时刷新闻时已经有所领会,芯片的制程工艺越来越小,等于晶体管越做越小,当工艺越来越濒临极限时,难度就会呈指数级回升

仿佛一个学员,将考分从 60 分提升到 80 分或许没有难,但将分数从 95 分提升到 100 分,就很没有等闲。

最好的例子就是芯片巨头英特尔在 14nm 节点长达 5 年的停滞,一度让 “摩尔定律已逝世”的言论甚嚣尘上。

好在另一方面,台积电跟三星在制程技巧上突飞猛进,从 10nm 到 7nm 再到今年的 5nm,一路顺利推进,并超越了英特尔。

只管后两者在制程称号上有玩 “数字游戏”的成分,但他们关于推进半导体制程技巧进化、连续摩尔定律所做的贡献有目共睹。

这些年来,芯片制程工艺能够一直微缩,性能可能一直加强,都有赖于整个半导体行业以及学术范围的大胆翻新跟没有懈努力。

而当节点进一步微缩,5nm 之后的 3nm、2nm、1nm,新的问题又会涌现,甚至本来解救摩尔定律的 3D FinFET 晶体管都将无奈应关于极限微观世界的请求。

接下来,咱们会越来越屡次地听到一个新名词——GAA(缠绕式栅极技巧晶体管)。

什么是 GAA 缠绕式栅极技巧晶体管?这篇文章IT之家就跟大家一起领会一下。

1、从 3D FinFET 到 GAA,5nm 之后就靠它了

作为取代 3D FinFET 晶体管的全新技巧,切实 GAA 缠绕式栅极技巧晶体管跟 3D FinFET 有着千头万绪的联系,因此咱们需要从 3D FinFET 晶体管说起。

在《台积电 5 纳米吊打英特尔 10 纳米?别纠结了,这只是 “数字游戏”》一文中,切实IT之家已经为大家介绍过 3D FinFET 晶体管,这里再简单回顾一下。

切实所谓晶体管,用艰深易懂的话来讲,就是用半导体资料制作的电流开关结构。左边一个源极(半导体),右边一个漏极(半导体),中间加个栅极(金属),让栅极来掌握电流从源极到漏极的通断

在从前,栅极跟源极、漏极之间接触的地方是一个平面,形状差没有久是一个矩形,栅极恰是依靠这个接触面来关于源极跟漏极的电流进行掌握。

可是,晶体管越做越小,这个接触面的宽度(切实就是栅极的宽度)也越来越窄,当窄到必然程度时(大略是 20nm 左右),栅极关于电流的掌握力就会大幅减弱。

掌握力减弱,就会导致源极的电流穿透栅极,直接跟漏极导通,这种情况叫漏电。很显然,漏电没有是个好事件,它会导致芯片发热量急剧回升。

所以半导体工艺进化之路在 20nm 左右曾一度面临停滞,摩尔定律遭受威胁。

怎么办呢?切实只要栅极跟源极、漏极之间的接触面积足够大,就能掌握住电流。这个接触面的宽度没有能增添,那就只能增添长度了

1999 年华人教养胡正明带领加州大学伯克利分校的研究团队发现了 FinFET 晶体管技巧跟 UTB-SOI 技巧,解决了上面说的问题。

其中,FinFET 晶体管技巧是咱们听过最多的。它的解决思绪就是改造晶体管的结构,将源极跟漏极做成像鳍片一样直破的样子,而后让栅极三面包围住鳍片,就像下面这样。

这样,等于是让栅极的宽度没有变,通过微妙地增添长度,来大大增添接触面积,从提升关于电流的掌握。

换句话说,本来只有一个接触面,往常有三个了,哪怕栅极宽度在进一步缩小,也没有怕

由于这种鳍片结构是破体的状态,所以也叫做 3D FinFET。

3D FinFET 技巧的涌现解决了晶体管工艺缩小引发的漏电的问题,让半导体的制程可能进一步推进。

随后,经过十多年的产业化推进,英特尔在 2011 年首先推出了应用 22nm FinFET 工艺的第三代 Core 处理器,这标志着摩尔定律的连续。

胡正明教养也被人们称为 FinFET 教父,以及 “解救摩尔定律的男人”。

而 3D FinFET 技巧也伴跟着半导体产业开展,一路走到今天的 7nm、5nm 时代。

然而,和着芯片制程的进一步微缩,到了 5nm 之后的 3nm、2nm 等等,3D FinFET 也将迎来它的极限,鳍片距离太近、漏电重新涌现,物理资料的极限都让 3D FinFET 晶体管难认为继。

还有和着工艺微缩,假如本来一个 FinFET 晶体管上可能放三个鳍片,往常只能放一个,所以就得把鳍片增高。可是鳍片越来越高,到必然高度后,很难在内部应力作用下维持直破,FinFET 结构就很难造成了。

总之就是,5nm 之后,3D FinFET 也没有能用了。

这时分,就轮到 GAA 缠绕式栅极技巧晶体管技巧登场了。

GAA 全称 Gate-All-Around ,是一种缠绕式栅极技巧晶体管,也叫做 GAAFET。它的概念的提出也很早,比利时 IMEC Cor Claeys 博士及其研究团队于 1990 年发表文章中提出。

切实 GAAFET 相当于 3D FinFET 的改善版,这项技巧下的晶体管结构又变了,栅极跟漏极没有再是鳍片的样子,而是变成了一根根 “小棍子”,垂直穿过栅极,这样,栅极就能完成关于源极、漏极的四处包裹。

看起来,恍如本根源极漏极半导体是鳍片,而往常栅极变成了鳍片。所以 GAAFET 跟 3D FinFET 在完成原理跟思绪上有许多相似的地方。

没有管怎么说,从三接触面到四接触面,并且还被拆分红好多少个四接触面,显然,这次栅极关于电流的掌握力又进一步进步了。

此外,GAA 的这种设计也可能解决本来鳍片间距缩小的问题,并且在很大程度上解决栅极间距缩小后带来问题,例如电容效应等。

总之,在 GAAFET 技巧的微妙协助下,半导体制程工艺的进化之路还将进一步往前走,并将成为 5nm 之后大家时常听到的要害词

2、三星、英特尔跟台积电,同样的态度,没有同的进展

GAAFET 技巧如此首要,显然目前芯片代工的三巨头英特尔、三星跟台积电都在踊跃备战,筹备在 5nm 之后的节点上大干一场。

首先要解释的是,前面咱们讲到源极到漏极的 “小棍子”,只是举例,实践上也可能是其余形状,例如圆柱状、甚至是板状的等等。

就这一点,目前行业里分多少种方案:

纳米线,就是采纳圆柱也许方形的截面;

板片状,望文生义,就是源极漏极的半导体设计成水平的板块状,通常会重叠多个穿透栅极;

六角形截面;

纳米环技巧,就是穿透栅极的半导体为环形截面。

在三巨头中,目前最踊跃高调的是三星,他们采纳的是第二种方案,也就是重叠的板片状方案。目前三星也是三巨头中唯一一家公布本人在 GAA 上详细技巧方案的企业。

三星还给自家 GAA 技巧取了个独特的名字:Multi-Bridge Channel,简称 MBCFET。

三星表示,他们会在 3nm 这一节点上应用 MBCFET 技巧。MBCFET 相比纳米线技巧具有更大的栅极接触面积,从而在性能、功耗掌握上会更加精彩。

就板片状的技巧方案来说,三星吐露其目前设计每个晶体管上重叠 3 条板片,板片厚度为 5nm,板片之间的距离为 10nm,同时栅极长度为 12nm 等。

在具体表现方面,三星还称第一代的 3nm MBCFET 相比 7nm FinFET 会有 35% 的性能提升,功耗会降低 50%,芯片面积则会缩减 45%,电压则可能下降到 0.7V。

三星更是决心满满地表示,2020 年底,他们的 MBCFET 就可能开始危险试产,2021 年有望大规模量产,同时 2021 年他们还会推出第一代 MBCFET 的优化版本。

值得一提的是,三星在 GAA 上也尝试了其余技巧方案,没有同方案在性能、功率方面的表现也没有同,未来可能依据芯片利用场景的差异来婚配关于应的方案。

相比三星的激进,台积电这边就相关于保守了,目前他们已经表示,3nm 节点上将会继续打磨 FinFET 技巧,而没有是急于上马 GAAFET。

主要原因是台积电切入 GAA 技巧的光阴相关于晚于三星,同时也为产业链平稳过渡推敲。

至于什么时分会应用 GAA 技巧,官方还不明确公布。但依据外界的消息,台积电会在 2nm 节点上采纳 GAA 技巧

台积电已表示,2nm 研产生产将落脚新竹宝山,将计算建设 4 个超大型晶圆厂,投入 8000 名工程师,目前已经托付研发,依据计算,2nm 工艺预计会在 2023 年开始危险试产,2024 年量产。

至于英特尔,依照他们的进度,2021 年会推出 7nm 工艺,采纳的仍然是目前的 SuperFinFET,而到 2023 年,他们会在 5nm 这个节点上放弃 FinFET 晶体管,转向 GAA 缠绕栅极晶体管。这个消息来自产业链,并非英特尔官方公布,但此前英特尔曾表示,将在 5nm 工艺重新夺回引导地位,由此来看,他们在 2023 年的 5nm 节点上推出 GAA 工艺是大略率会发作的。

3、半导体行业还不到极限

就像 FinFET 工艺解救了芯片产业,在 5nm 之后的时代,GAAFET 也将成为带领半导体行业进一步开展的要害。当然,在这背地,每行进一步,都是行业付出巨大努力的后果。

就以 GAA 技巧来说,三星吐露其自家 3nm GAA 的研发成本比 5nm FinFET 更高,有可以超过 5 亿美元,巨大的研发成本首先就是摆在行业眼前的一道坎。

同时 GAAFET 的工艺制造难度也是极高的,具体的细节这里就没有说了,最难的地方天然是如何让栅极缠绕源极跟漏极的纳米线,这里面的工艺极端冗长,也只有关于 FinFET 技巧炉火纯青的半导体巨头才气应关于这样的技巧挑衅。

此外,跟 GAA 技巧配套的 EUV 极紫外光刻技巧也需要进一步成熟,解决光刻功率没有够以及光子乐音等问题。

但好消息时,因为 GAA 相当于传统 FinFET 的 “改善版”,因此生产制造的许多技巧细节跟步骤是可能共用的,这意味着像三星、台积电跟英特尔这些关于 FinFET 技巧非常熟识的巨头,在 GAA 技巧过渡时可以会比从前更加顺畅,产业化的光阴也可以会更短。

最后,IT之家想说的是,GAA 技巧的推进,确实在很大程度上推进半导体工艺特别是提高制程上的开展。但和着制程技巧越来越濒临物理极限,想要把芯片继续做薄做小,提高制程也并没有是唯一的途径,资料、封装等也都可能称为突立的途径

前面咱们说到的胡正明教养曾经说过:

FinFE 证实了这个产业还有许多可能用咱们的智慧来解决的问题,我还真是看没有到半导体产业发的极限。

这句话放在 GAA 上也适用,也许说,只要这个世界仍然关于运算有须要,半导体行业的人们就会想出智慧的解决方案来拓宽行业的天花板,用他们的技巧让这个世界更加美好。

(责任编辑:)
------分隔线----------------------------
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
表情:
用户名:
发布者资料
查看详细资料 发送留言 加为好友 用户等级: 注册时间:2020-10-23 01:10 最后登录:2020-10-23 01:10
栏目列表
推荐内容