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[導讀]按照摩爾定律,每18個月芯片的晶圓管密度就會提升1倍,從而性能翻倍。過去的這幾十年間,芯片制程其實差不多是按照摩爾定律走的,直到進入7nm后,基本上就無法按照這個定律走了,比如5nm、3nm的演進就慢了很多,所以很多人稱現(xiàn)在摩爾定律已死。

按照摩爾定律,每18個月芯片的晶圓管密度就會提升1倍,從而性能翻倍。過去的這幾十年間,芯片制程其實差不多是按照摩爾定律走的,直到進入7nm后,基本上就無法按照這個定律走了,比如5nm、3nm的演進就慢了很多,所以很多人稱現(xiàn)在摩爾定律已死。不過近日,IMEC(比利時微電子中心)還是展示了一張最新的芯片制造發(fā)展路線圖,一路看到了2036年的0.2nm工藝,表示接下來芯片制造還是會按照摩爾定律走下去。

如下圖所示的這個演進路徑,2022年實現(xiàn)N3也就是3nm,2024年到2nm,2026年到A14也就是1.4nm,2028年到1nm,并且還會演進,到2036年是直接達到0.2nm。同時在晶圓管技術上,也有技術演進,目前是FinFET,而到2nm時會換成GAAFET,再到0.5nm時,會換成CFET技術。

不過,大家看看我在上圖標的綠色框,這里指的是MP金屬柵極距,這是真正代表晶體管密度,也就是工藝指標的參數(shù)。它在1nm之前還是在不斷變小的,直到1nm工藝時,為16nm,但接下來不管工藝怎么先進,其參數(shù)一直處于16-12nm間了。意思就是晶體管密度其實不再怎么變化了,不管你是1nm,還是0.5nm,或者0.2nm,這個MP金屬柵極距基本不變了。

事實上,之前已經(jīng)有科學家表示,當芯片工藝在1nm之后,量子隧穿效應有可能會讓半導體失效,估計這也是為什么1nm后,這個MP金屬柵極距不變了,因為不可能再變小了。這也代表著接下來工藝究竟是多少nm,它與晶體管密度沒有太多關系了,更多的還是數(shù)字游戲了,晶圓廠商們愿意說多少nm,就是多少nm,與MP金屬柵極距不再有對應關系。

臺積電在芯片制程上不斷向前發(fā)展,7nm、5nm工藝對臺積電而言,已經(jīng)成為小兒科,4nm芯片的產(chǎn)能也在不斷提升中。根據(jù)臺積電方面發(fā)布的消息可知,3nm芯片將會如期量產(chǎn),預計上市時間為今年第四季度。

2nm芯片上,臺積電也是順風順水,將會在3月份正式對外公布全新的Nanosheet / Nanowire 的晶體管架構,并采用新的材料。

即便是在1nm芯片上,臺積電也在快速前進,有消息稱,臺積電在1nm芯片上已經(jīng)取得了突破。

為此,臺積電已經(jīng)明確表示,其在中科園區(qū)內(nèi)建設2nm芯片工廠,占地超100公頃,總投資約在2300億元,另外,1nm芯片工廠也將落戶在中科園區(qū)內(nèi)。

臺積電1nm芯片,這次輪到看我們了

都知道,臺積電已經(jīng)明確表示,其在2nm芯片將會采用全新的Nanosheet / Nanowire 的晶體管架構并采用新的材料。

而1nm芯片是比2nm芯片更先進的工藝,在2nm芯片上可以采用二維材料,但在1nm芯片就不太可行了。

因為臺積電與麻省理工學院一直都在研發(fā)1nm芯片,并且已經(jīng)取得了突破,但在芯片材料上,將會用到鉍電極的物質。

根據(jù)麻省理工發(fā)布的消息可知,二維材料做芯片可以提升性能,但二維材料存在的高電阻、低電流問題,成為學界的一大難點。

為了解決這個問題,其通過對鉍電極的物質的研究,發(fā)現(xiàn)其可以與二維材料進行互補,從而才實現(xiàn)了在1nm芯片上突破。

但鉍是很稀有的材料,全球范圍內(nèi)僅有32萬噸的儲備,而其中75%的儲備都在中國內(nèi)地。

也就是說,臺積電等想要生產(chǎn)制造1nm芯片,就需要用到大量的鉍,這意味臺積電1nm芯片這次要看我們了。

言外之意,如果我們不提供鉍這種稀少的原材料,臺積電等1nm芯片可能就無法生產(chǎn)制造,或者是無法大量生產(chǎn),除非其換另外一條研發(fā)路線,但這種可能性非常小。

芯片的發(fā)展一直都很快,不知不覺就來到了4nm的工藝節(jié)點,明年的旗艦手機基本都會用上4nm工藝的芯片了,不過隨著技術的發(fā)展,很多人都意識到了摩爾定律正在悄悄逼近天花板,也就是芯片發(fā)展靠吃制程紅利的方式終有一天會停滯。

芯片發(fā)展過程中,早就有專業(yè)人士預言芯片工藝會停在5nm工藝附近,因為到達這個工藝的時候就會發(fā)生量子隧穿,簡單來說就是電子無法保證能穩(wěn)定在電路里運行,很有可能跑出去,而這個是物理規(guī)則,隨著工藝越小,量子效應就越明顯,而當時普遍認為是5nm是終點。

不過很明顯,現(xiàn)在5nm已經(jīng)成功商用量產(chǎn)了,4nm都實現(xiàn)了,不過懂行的都知道,現(xiàn)在的各家的工藝其實都是有水分的,所謂多少納米其實只是一個商標而已,名字聽起來很先進,包括一直老實的英特爾都已經(jīng)改名字了,但技術的限制阻止不了人類追尋的腳步。

摩爾定律的上限將被再次拉升,1nm或成為現(xiàn)實,并在不遠的將來被成功商用,在IEDM 2021電子大會上,三星和IBM共同發(fā)布了垂直傳輸場效應晶體管(VTFET),那么這個技術有什么用呢?

首先就是可以提高晶體管密度,這可以說是芯片技術得以發(fā)展的根本,此外就是該技術可以打破1nm工藝的瓶頸,也就是說這個工藝除了可以做到1nm,甚至還能突破1nm的極限,進入更微小的埃米時代,比如0.9nm,看到這里很多人估計都要直呼不可能了。

畢竟硅原子的直徑大約是0.25nm,而1nm已經(jīng)只相當于4個硅原子了,所以不要說量子效應了,晶體管能不能做出來都是一個問題了,這么小的尺寸怎么可能實現(xiàn)?但畢竟IBM和三星兩大科技公司都這樣說了,那么應該是問題不大,只是應用還沒有那么快而已。

另一方面,臺積電可能也要面臨巨大的危機了,在和華為分手之后,臺積電現(xiàn)在的忠實大客戶只有蘋果一家了,其他客戶雖然多,但沒幾個愿意燒錢幫助臺積電在新工藝節(jié)點試產(chǎn)的,而且像英偉達高通這些都會在三星和臺積電之間反復橫跳,也有消息稱,AMD也正在考慮把一部分芯片業(yè)務交由三星代工,以此來降低風險。

畢竟目前為止最先進的兩家芯片代工廠,三星和臺積電,依舊是FinFET工藝,三星可能會率先在2023年用上GAA工藝,根據(jù)一些技術參數(shù),GAA相比FinFET有很多優(yōu)勢,可以比較出色解決漏電功耗的問題,這使得能效最高可以提升50%以上,但從目前的消息來看臺積電的3nm依舊會繼續(xù)打磨FinFET,這就意味著在下一個3nm節(jié)點,三星或可能會實現(xiàn)逆襲。

而現(xiàn)在三星又聯(lián)合IBM,可以說是強強聯(lián)合,雖然IBM這幾年在公眾視野里的出鏡率比較低,但這仍舊是半導體行業(yè)的大佬級別,這兩家公司合作,臺積電壓力不小,而三星想取代臺積電的老大地位已經(jīng)蓄謀已久,并且重點押注3nm節(jié)點,而在芯片代工領域,臺積電一旦無法保持第一名,那么就意味著要徹底失敗了。

當然很多人有個問題,1nm芯片是不是很省電呢?甚至有消息稱可以讓手機續(xù)航超過兩個周,只能說這種預估太過樂觀了,因為工藝雖然在進步,但是性能也在進步,這就是為什么官方年年說芯片功耗在降,結果發(fā)熱和耗電還是很厲害。

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