7nm/10nm競爭白熱化，芯片制程工藝你真的了解嗎？

雖然7nm，8nm的搶灘大戰(zhàn)是打得如火如荼，然而制程中，10nm的芯片性能是最為芯片生產(chǎn)商青睞。今年備受矚目的驍龍 835 便用上了更先進(jìn)的 10nm 制程， 在集成了超過 30 億個(gè)晶體管的情況下，體積比驍龍 820 還要小了 35%，整體功耗降低了 40%，性能卻大漲 27%。下文將就芯片的工藝制程做一些介紹，希望助各位看官，看得更熱鬧。

先從大廠說起。目前芯片廠商有三類：IDM、Fabless、Foundry。

IDM(集成器件制造商)指 Intel、IBM、三星這種擁有自己的晶圓廠，集芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝、測試、投向消費(fèi)者市場五個(gè)環(huán)節(jié)的廠商，一般還擁有下游整機(jī)生產(chǎn)。

Fabless(無廠半導(dǎo)體公司)則是指有能力設(shè)計(jì)芯片架構(gòu)，但本身無廠，需要找代工廠代為生產(chǎn)的廠商，知名的有 ARM、NVIDIA、高通、蘋果和華為。

Foundry(代工廠)則指臺積電和 GlobalFoundries，擁有工藝技術(shù)代工生產(chǎn)別家設(shè)計(jì)的芯片的廠商。我們常見到三星有自己研發(fā)的獵戶座芯片，同時(shí)也會(huì)代工蘋果 A 系列和高通驍龍的芯片系列，而臺積電無自家芯片，主要接單替蘋果和華為代工生產(chǎn)。

制程

在描述手機(jī)芯片性能的時(shí)候，消費(fèi)者常聽到的就是 22nm、14nm、10nm 這些數(shù)值，這是什么?

這是芯片市場上，一款芯片制程工藝的具體數(shù)值是手機(jī)性能關(guān)鍵的指標(biāo)。制程工藝的每一次提升，帶來的都是性能的增強(qiáng)和功耗的降低，而每一款旗艦手機(jī)的發(fā)布，常常與芯片性能的突破離不開關(guān)系。

驍龍 835 用上了更先進(jìn)的 10nm 制程， 在集成了超過 30 億個(gè)晶體管的情況下，體積比驍龍 820 還要小了 35%，整體功耗降低了 40%，性能卻大漲 27%。

深入來說，這幾十納米怎么計(jì)算出來的?我們從芯片的組成單位晶體管說起。

得益于摩爾定律的預(yù)測，走到今天，比拇指還小的芯片里集成了上億個(gè)晶體管。蘋果 A10 Fusion 芯片上，用的是臺積電 16nm 的制造工藝，集成了大約 33 億個(gè)晶體管。

而一個(gè)晶體管結(jié)構(gòu)大致如下：

圖中的晶體管結(jié)構(gòu)中，電流從 Source(源極)流入 Drain(漏級)，Gate(柵極)相當(dāng)于閘門，主要負(fù)責(zé)控制兩端源極和漏級的通斷。電流會(huì)損耗，而柵極的寬度則決定了電流通過時(shí)的損耗，表現(xiàn)出來就是手機(jī)常見的發(fā)熱和功耗，寬度越窄，功耗越低。而柵極的最小寬度(柵長)，就是 XX nm工藝中的數(shù)值。

對于芯片制造商而言，主要就要不斷升級技術(shù)，力求柵極寬度越窄越好。不過當(dāng)寬度逼近 20nm 時(shí)，柵極對電流控制能力急劇下降，會(huì)出現(xiàn)“電流泄露”問題。為了在 CPU 上集成更多的晶體管，二氧化硅絕緣層會(huì)變得更薄，容易導(dǎo)致電流泄漏。

一方面，電流泄露將直接增加芯片的功耗，為晶體管帶來額外的發(fā)熱量;另一方面，電流泄露導(dǎo)致電路錯(cuò)誤，信號模糊。為了解決信號模糊問題，芯片又不得不提高核心電壓，功耗增加，陷入死循環(huán)。

因而，漏電率如果不能降低，CPU 整體性能和功耗控制將十分不理想。這段時(shí)間臺積電產(chǎn)能跟不上很大原因就是用上更高制程時(shí)遭遇了漏電問題。

還有一個(gè)難題，同樣是目前 10nm 工藝芯片在量產(chǎn)遇到的。

當(dāng)晶體管的尺寸縮小到一定程度(業(yè)內(nèi)認(rèn)為小于 10nm)時(shí)會(huì)產(chǎn)生量子效應(yīng)，這時(shí)晶體管的特性將很難控制，芯片的生產(chǎn)難度就會(huì)成倍增長。驍龍 835 出貨時(shí)間推遲，X30 遙遙無期主要原因可能是要攻克良品率的難關(guān)。

另外，驍龍 835 用上了 10nm 的制程工藝，設(shè)計(jì)制造成本相比 14nm 工藝增加接近 5 成。大廠需要持續(xù)而巨大的資金投入到 10nm 芯片量產(chǎn)的必經(jīng)之路。

就目前階段，三星已經(jīng)嘗試向當(dāng)前的工藝路線圖中添加 8nm 和 6nm 工藝技術(shù)，臺積電方面則繼續(xù)提供 16nm FinFET 技術(shù)的芯片，開始著力 10nm 工藝的同時(shí)，預(yù)計(jì)今年能夠樣產(chǎn) 7nm 工藝制程的芯片。

FinFET

除了制程，還有工藝技術(shù)。

在這一代驍龍 835 上，高通選擇了和三星合作，使用三星最新的 10nm FinFET 工藝制造。同樣，三星自家的下一代旗艦獵戶座 8895 用的也是用此工藝。

FinFET 是什么?

業(yè)界主流芯片還停留在 20/22nm 工藝節(jié)點(diǎn)上的時(shí)候，Intel 就率先引入了 3D FinFET 這種技術(shù)。后來三星和臺積電在 14/16nm 節(jié)點(diǎn)上也大范圍用上了類似的 FinFET 技術(shù)。下面我們統(tǒng)稱為 FinFET。

FinFET(Fin Field-Effect Transistor)稱為鰭式場效應(yīng)晶體管，是一種新的晶體管，稱為 CMOS。具體一點(diǎn)就是把芯片內(nèi)部平面的結(jié)構(gòu)變成了3D，把柵極形狀改制，增大接觸面積，減少柵極寬度的同時(shí)降低漏電率，而晶體管空間利用率大大增加。

因?yàn)閮?yōu)勢明顯，目前已經(jīng)被大規(guī)模應(yīng)用到手機(jī)芯片上。

經(jīng)歷了 14/16nm 工藝節(jié)點(diǎn)后，F(xiàn)inFET 也歷經(jīng)升級，但這種升級是存在瓶頸的。目前，大廠們正研究新的 FD-SOI(全耗盡絕緣體硅)工藝、硅光子技術(shù)、3D 堆疊技術(shù)等，斥資尋求技術(shù)突破，為日后 7nm、甚至 5nm 工藝領(lǐng)先布局。

LPE/LPP/LPC/LPU 又是什么?

在工藝分類上，芯片主要分兩大類：

·HP(High Performance)：主打高性能應(yīng)用范疇;

·LP(Low Power)：主打低功耗應(yīng)用范疇。

滿足不同客戶需求，HP 內(nèi)部再細(xì)分 HPL、HPC、HPC+、HP 和 HPM 五種。

HP 和 LP 之間最重要區(qū)別就在性能和漏電率上，HP 在主打性能，漏電率能夠控制在很低水平，芯片成本高;LP 則更適合中低端處理器使用，因?yàn)槌杀镜汀?/p>

所以，芯片除了在制程上尋求突破，工藝上也會(huì)逐步升級。

2014 年底，三星宣布了世界首個(gè) 14nm FinFET 3D 晶體管進(jìn)入量產(chǎn)，標(biāo)志著半導(dǎo)體晶體管進(jìn)入 3D 時(shí)代。發(fā)展到今天，三星擁有了四代 14nm 工藝，第一代是蘋果 A9 上面的 FinFET LPE(Low Power Early)，第二代則是用在獵戶座 8890、驍龍 820 和驍龍 625 上面的 FinFET LPP(Low Power Plus)。第三代是 FinFET LPC，第四代則是目前的 FinFET LPU。至于 10nm 工藝，三星則更新到了第三代(LPE/LPP/LPC)。

目前為止，三星已經(jīng)將 70000 多顆第一代 LPE(低功耗早期)硅晶片交付給客戶。三星自家的獵戶座 8895，以及高通的驍龍 835，都采用這種工藝制造，而 10nm 第二代 LPP 版和第三代 LPU 版將分別在年底和明年進(jìn)入批量生產(chǎn)。

不知不覺，手機(jī)芯片市場上已經(jīng)進(jìn)入了 10nm、7nm 處理器的白熱化競爭階段，而 14/16nm 制程的爭奪也不過是一兩年前的事。

之前有人懷疑摩爾定律在今天是否還適用，就芯片的進(jìn)化速度和技術(shù)儲(chǔ)備來看，不是技術(shù)能力達(dá)不到，而是廠商們的競爭程度未必能逼迫它們?nèi)偾斑M(jìn)。