隨著芯片尺寸的進一步縮小,新的“物理極限”出現(xiàn)了。這就是我們傳統(tǒng)計算機芯片的設計理念問題。我們都知道的,現(xiàn)在的電腦是基于數(shù)字電路0、1這樣的邏輯電路搭建起來的。而隨著芯片尺寸的減小,最小的PN結(jié)也在不斷的減小。由于量子效應,PN結(jié)不能形成之前的工作狀態(tài),也就是說,不再表現(xiàn)出0和1這種狀態(tài),量子效應成為了數(shù)字集成電路的攔路虎。
這怎么辦呢?其實,需要的不是做新的PN結(jié)出來,因為PN結(jié)已經(jīng)無法再小了??茖W家們做的工作是,發(fā)展下一代計算機技術(shù):量子計算機。這種計算機的工作原理跟我們現(xiàn)在的計算機是不同,它是利用量子的波函數(shù)來進行計算的。它的計算邏輯不同於數(shù)字電子計算機,量子計算用來存儲資料的對象是量子位元,它使用量子演算法來進行資料操作。
這種變化其實就是新的技術(shù)手段代替老的技術(shù)手段的過程。面對無法再小的數(shù)字化集成電路科學家祭出的新的手段就是量子計算,用量子計算來取代數(shù)字計算,讓計算能力進入到一個新的發(fā)展階段。
還有就是目前,芯片都是由硅為基礎(chǔ),在上面刻蝕電路,但是,理論研究表明,當芯片制程達到1nm的時候,量子隧穿效應,就是電子不受控制,所以這是人們很擔心的問題,1nm后怎么辦?目前人類馬上將硅基材料的性能壓縮到了極限,所以更換材料已經(jīng)被提上日程,目前最有希望的便是二硫化鉬(MoS2)。
硅和二硫化鉬都有晶體結(jié)構(gòu),但是二硫化鉬對于控制電子的能力要強于硅,眾所周知,晶體管由源極,漏極和柵極,柵極負責電子的流向,它是起開關(guān)作用,在1nm的時候,柵極已經(jīng)很難發(fā)揮其作用了。而通過二硫化鉬,則會解決這個問題,而且二硫化鉬的介電常數(shù)非常低,可以將柵極壓縮到1nm完全沒有問題。
1nm是人類半導體發(fā)展的重要節(jié)點,可以說,能不能突破1nm的魔咒,關(guān)乎計算機的發(fā)展,雖然二硫化鉬的應用價值非常大,但是,目前還在早期階段,而且,如何批量生產(chǎn)1nm的晶體管還沒有解決,但是,這并不妨礙二硫化鉬在未來集成電路的前景。
當前,芯片由先進制程帶來的性能、功耗回報正在顯著降低。近幾個月,搭載5nm制程工藝SOC的智能手機陸續(xù)上市。從這些手機的實際表現(xiàn)來看,無論是臺積電的5nm FinFET工藝,抑或三星的5nm LPE工藝,性能、功耗提升都未能滿足市場預期。
三星方面,功耗翻車的問題比較突出。采用三星5nm LPE工藝的驍龍888處理器和上代產(chǎn)品驍龍865處理器對比,單核功耗和多核功耗明顯增加,能效表現(xiàn)上大幅下降。
臺積電方面,快步推進的5nm,實際性能提升有些拉胯。以蘋果A系列處理器為例,同樣基于臺積電7nm制程,A13處理器相比A12處理器CPU性能提升20%、GPU性能提升20%;而基于臺積電5nm制程的A14相比A13,CPU 性能方面提升大約在16.7%左右,GPU性能提升則大約在8.3%左右。
也就是說,在蘋果A系列處理器上,5nm制程進步帶來的進步,很可能還比不上蘋果自己對處理器架構(gòu)的優(yōu)化升級。雖然有一些業(yè)內(nèi)人士猜測,這是由于5nm初期良品率不高,蘋果A14屏蔽了一些核心。但同樣采用臺積電5nm工藝的麒麟9000,其功耗控制較之官方數(shù)據(jù)也存在較大差異。
5nm先進制程工藝的實際表現(xiàn)普遍稱不上令人滿意,對于當前階段使用5nm工藝的產(chǎn)品而言,其營銷價值或許要遠遠超過先進制程本身的實用價值。
更加令人感到不安的是,在當前臺積電5nm制程工藝的實用價值都很成問題的情況下,臺積電還在持續(xù)加大對下一代制程節(jié)點3nm工藝的研發(fā)投入。在近日的財報會議上,臺積電管理層宣布2021年計劃將年度資本開支從2020年的170億美元大幅提升到250億至280億美元,增幅將達到45%至63%,其中約80%將用于3nm工藝研發(fā),這意味著,臺積電今年將會有超過150億美元的資本支出投向3nm工藝。
而根據(jù)臺積電此前公布的計劃,他們的3nm工藝,計劃在今年風險試產(chǎn),2022年大規(guī)模量產(chǎn)。也就是說,按照臺積電的規(guī)劃,明年在市場上我們就可以看到一些搭載臺積電3nm工藝的產(chǎn)品。
這依然符合臺積電近幾年來的先進制程升級換代節(jié)奏,然而從產(chǎn)品的實際表現(xiàn)來看,高昂的代價并沒能完美實現(xiàn)預期中的效果。換而言之,臺積電現(xiàn)在很可能已經(jīng)觸碰到了資本投入和技術(shù)實現(xiàn)之間的一個瓶頸,忽視這一瓶頸而又急切想要實現(xiàn)3nm先進制程工藝的臺積電,其實已經(jīng)陷入了一場極限技術(shù)冒險。