芯片工艺竞争不断升级 极限在哪里？

2016年12月7日，采用三星10nm工艺制造的高通骁龙835跑分遭到曝光。8日，采用台积电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年发布采用自家10nm工艺制造的移动芯片。

几个月前，GlobalFoundries宣布将会推进7nm FinFET工艺。三星也购买了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。近日，台积电又声称，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工艺的相关投资工作也已开始。

从14nm到10nm，从10nm到7nm，还有所谓的5nm、3nm和2nm，芯片工艺的竞争程度不断升级。那么，芯片界的这场“战争”会结束吗？芯片工艺的未来又在哪里呢？

现阶段的芯片工艺技术上，近年来除了FinFIT技术外，三星、英特尔等芯片厂商纷纷投入到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。各种新技术中，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成立体型，大大缩短互连线长度，使得数据传输更快，所受干扰更小。

目前，这样的3D技术在理论层面已有较大进展，并在实践中得到初步应用。2013年，三星推出了3D圆柱形电荷捕获型栅极存储单元结构技术，垂直堆叠可达24层。同年，台积电与Cadence合作开发出了3D-IC的参考流程。2015年，英特尔和美光合作推出了3D XPoint技术，使用该技术的存储芯片目前已经量产。

材料上，目前制造芯片的原材料以硅为主。不过，硅的物理特性限制了芯片的发展空间，正在逐渐被弃用。

2015年，IBM及合作伙伴三星、GlobalFoundries展示7nm工艺芯片时，使用的是硅锗材料。使用这种材料的晶体管开关速度更快，功耗更低，而且密度更高，可以轻松实现200亿晶体管，晶体管密度比目前的硅基半导体高出一个量级。2015年4月，英特尔也宣布，在达到7nm工艺之后将不再使用硅材料。

III-V族化合物、石墨烯等新材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表示，石墨烯中的电子迁移速度是硅材料的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现，石墨烯可使芯片的运行速率提升百万倍。

并且，随着制作工艺已逐渐成熟，石墨烯原本高昂的成本开始呈下降趋势。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。

芯片工艺的发展和影响*摩尔定律

说到芯片的发展，就不得不提先一下主宰半导体发展的摩尔定律。

1965年，仙童半导体公司的工程师戈登·摩尔撰文指出，半导体电路集成的晶体管数量将每年增加一倍，性能提升一倍；之后又修正为每两年增加一倍，这就是著名的摩尔定律。

半导体工业的发展已经符合摩尔定律超过半世纪了，虽然近几年有放缓迹象，但是摩尔定律依然会持续下去。

1971年，Intel发布了第一个处理器4004，它采用10微米工艺生产，仅包含2300多个晶体管。

1995年起，芯片制造工艺从0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.15μm、0.13μm，发展到90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、14nm，再到目前最新的10nm。

随着芯片的制程工艺不断发展，集成度不断提高，电子产业得以高速发展，每年腾出0.3左右的成本空间。半导体工艺制程变得越来越小，将会有哪些好处呢？

1.制程越小就能塞下更多的晶体管，成本下降

CPU的生产是需要经过7个工序的，分别是：硅提纯，切割晶圆，影印，蚀刻，重复、分层，封装，测试， 而当中的蚀刻工序是CPU生产的重要工作，也是重头技术，简单来说蚀刻就是用激光在硅晶圆制造晶体管的过程，蚀刻这个过程是由光完成的，所以用于蚀刻的光的波长就是该技术提升的关键，它影响着在硅晶圆上蚀刻的最小尺寸，也就是线宽。

现在半导体工艺上所说的多少nm工艺其实是指线宽，也就是芯片上的最基本功能单位门电路的宽度，因为实际上门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同，所以线宽可以描述制造工艺。缩小线宽意味着晶体管可以做得更小、更密集，而且在相同的芯片复杂程度下可使用更小的晶圆，于是成本降低了。

2.频率更高，电压更低

更先进的半导体制造工艺另一个重要优点就是可以提升工作频率。缩减元件之间的间距之后，晶体管之间的电容也会降低，晶体管的开关频率也得以提升，从而整个芯片的工作频率就上去了。

另外晶体管的尺寸缩小会减低它们的内阻，所需导通电压会降低，这代表着CPU的工作电压会降低，所以我们看到每一款新CPU核心，其电压较前一代产品都有相应降低。另外CPU的动态功耗损失是与电压的平方成正比的，工作电压的降低，可使它们的功率也大幅度减小。

尽管制程变小有许多好处，但并不是无限制的，漏电流问题是当中一个重要因素。

在场效应晶体管的门与通道之间是有一层绝缘的二氧化硅的，作用就是防止漏电流的，这个绝缘层越厚绝缘作用越好。然而随着工艺的发展，这个绝缘层的厚度被慢慢削减，原本仅数个原子层厚的二氧化硅绝缘层变得更薄，进而导致泄漏更多电流，泄漏的电流又增加了芯片额外的功耗。

到了10nm之后，就不能像以往的节点一样，通过简单的缩小栅极宽度来推进工艺制程。往7nm的迁移势必需要昂贵的全新晶体管架构、沟道材料和内部连接。同时还需要全新的Fab工具和材料。

芯片工艺的未来和猜测7nm以后，5nm 工艺到底有多少实现的可能和意义，更是成为业界的一个争论点。从目前来看，5nm节点前面横亘着若干技术和经济上的挑战，即使能够实现，它也可能会相当昂贵。

实际上，Gartner的分析师Bob Johnson认为，鉴于工艺技术日益严苛的成本和复杂性，7nm可能会跳票到2020年，比一些芯片制造商预期的路线图大约晚一到两年。而这又将反过来影响5nm的面世时间——如果行业决定向5nm继续迈进的话。

“我认为5nm肯定会面世，只是不会是2020年那么早。”Johnson说，可靠的5nm工艺可能会在2023年左右出现。

但芯片制造商比较乐观，他们认为5nm的应用只是时间早晚问题，正在重新评估5nm节点的晶体管技术，并重新修订路线图。根据之前的路线图，FinFET可以下探到7nm，然后寿终正寝，行业需要在5nm节点上选择一种新型的晶体管技术。而且，5nm的唯一选项是横向纳米线FET，也被称为围栅FET。这种材料静电性能很好，只是制造困难而且成本高昂。

IMEC工艺技术副总裁兼逻辑器件研发项目负责人Aaron Thean也表示“5纳米是一个昂贵的节点”。要启用5nm，半导体行业需要在晶圆技术上取得新的突破。光刻技术面临新的挑战，互连技术更是成为进军5nm的最大障碍。

而5nm以后，摩尔定律是否终结，哪些新工艺将诞生，就是更难以预测的事情了。未来，新的材料、新的结构、新的思想，一切都将迎来革命，而革命必将淘汰一些东西、洗刷一些东西、诞生一些东西。