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本文來自中國電子報、電子信息產業網

作者：沈叢

功耗是芯片製造工藝演進時備受關注的指標之一。比起7nm工藝節點，5nm工藝可以使產品性能提高15%，晶體管密度最多提高1.8倍。三星獵戶座1080、華爲麒麟9000、驍龍888和蘋果的A14芯片都採取了5nm工藝製程。然而，5nm手機芯片功耗過高的問題卻於近期被媒體頻頻報道。這也不禁令人產生質疑：先進製程是否只是噱頭？芯片廠商是否還有必要花費高價和大量時間，在芯片先進製程方面持續進行研發和投入？

先進製程只是噱頭？

數據顯示，28nm工藝的設計成本爲0.629億美元。隨着製程工藝的推進，芯片的設計成本迅速上升。7nm工藝節點的成本暴增至3.49億美元，5nm工藝所需成本更是高達4.76億美元。另有數據顯示，臺積電每片5nm晶圓的代工費用約爲17000美元，這一數字幾乎是7nm芯片所需費用的兩倍。因爲成本的壓力，許多晶圓代工廠無法參與到先進製程工藝的賽道。目前，具備先進製程芯片生產能力的代工廠，僅有臺積電、三星和英特爾三家。然而，高昂的付出卻仍然無法解決功耗問題，先進製程工藝是否只是噱頭？

“手機芯片的製程數值越小，意味着芯片晶體管尺寸進一步微縮，芯片中元器件的排列也更加密集。這使得單位面積內，芯片可集成的晶體管數目增多。此次手機芯片製程由7nm提升至5nm，使得芯片上集成的晶體管數目得到顯著提升。以華爲麒麟9000芯片爲例，和上一代採用7nm工藝製程的麒麟990（5G版）相比，華爲麒麟9000的晶體管數目足足多了50億，總數目提高至153億。晶體管數目越多，芯片相應的運算和存儲能力也就越強，這使得芯片在程序運行加載速度、數據處理性能等方面都獲得了較爲顯著的提升。除此之外，5nm手機SoC芯片更強調5G能力，5G基帶芯片的集成使其在通信性能方面獲得了明顯提升。”復旦大學微電子學院教授周鵬向記者說道。

隨着摩爾定律的發展，半導體產業本身就是一部關於創新的著作，裏面凝聚了許多迭代創新的技術，當然也包括了試錯的過程。周鵬認爲，5nm技術節點是目前先進半導體技術的集大成者。現階段，5nm技術纔剛推出第一代工藝，它所面對的問題主要源於工藝的不穩定性。在每一代工藝節點的研發中，新產品都會面臨類似的問題，這種問題的解決還需要更多研發時間的投入和技術上的改進迭代。

Gartner研究副總裁盛凌海也指出，任何新的工藝都需要有一個磨合期。隨着技術的更新迭代，出現的問題將得到解決。手機芯片剛剛開啓5nm時代，推出5nm手機芯片的廠商成爲第一批“喫螃蟹的人”。然而，沒有喫到“螃蟹黃”，並不意味着“螃蟹肉”就不夠鮮美。隨着時間的推移和技術的演進，5nm芯片會體現更多優勢，讓諸多手機廠商喫到“螃蟹黃”。

爲何會出現功耗問題？

爲何採用先進工藝製造的芯片產品容易出現功耗問題？周鵬介紹，目前的芯片產品越來越追求高性能，功耗的增加主要來源於“漏電”這一不可控現象。他表示，構成芯片的基本單元——晶體管可被視爲一個控制電流的電子開關。它可以把功耗分成兩部分，即靜態功耗和動態功耗。動態功耗是指在開關過程中產生的功耗，而靜態功耗是指開關在關閉時，泄漏電流產生的功耗。如今5nm手機芯片出現功耗過高的問題，主要是泄漏電流導致的靜態功耗增加。

爲提高芯片的性能，就需要把電子開關對電流通斷的控制能力提高，以加快開關的速度。這意味着，開關要在更小尺寸的情況下通過更大的電流。開關的尺寸越小，對製備工藝的要求就越高，這使得開關在關閉狀態下，會有更多泄露電流。這部分產生的功耗是不可控的，是否產生功耗將直接由工藝的穩定性決定。要想使產品的性能提升，就需要更小的芯片製程，而芯片製程越小，就會爲製造工藝帶來更大的挑戰。由於難以保障工藝的穩定性，漏電現象會愈發明顯，功耗也會變大。

也有聲音稱，此次5nm芯片出現功耗問題，意味着FinFET工藝結構將不再適用於5nm芯片製程。用於3nm工藝節點的GAA工藝結構，有望提前被用在5nm芯片中。

自英特爾於2011年首次推出基於FinFET結構的22nm工藝以來，FinFET工藝結構已經在先進集成電路芯片中應用了十年。周鵬介紹，FinFET結構的提出是爲了克服平面MOSFET結構下，由於源極和漏極越來越近、氧化物越來越薄所導致的漏電問題。它的優勢主要體現在兩個方面。一方面是可以使晶體管在更小的平面結構尺寸下，緩解漏電的問題；另一方面則是將晶體管的結構形態從二維層次突破到三維空間，提高了芯片的空間利用率。提出該結構的最終目的，是爲了在單位面積內塞入更多的晶體管。

然而，隨着技術節點的進一步推進，FinFET結構也面臨越來越大的困難與挑戰。該結構的製備工藝十分複雜，會給工藝的穩定性方面帶來一定困擾，使漏電問題無法得到有效保障。相比於三面圍柵的FinFET結構，GAA技術採用的四面環柵結構，可以更好地抑制漏電流的形成和驅動電流的增大，更有利於實現性能和功耗之間的平衡。

但是，周鵬也指出：“工藝的不穩定問題對GAA結構來說也同樣存在，GAA和FinFET結構要解決的都是漏電問題。實現GAA工藝的難度並不比FinFET小，它的發展也需要一個技術改進的過程。GAA結構是在先進製程領域被普遍看好的工藝結構。但就目前5nm技術節點來說，不採用FinFET而採用GAA，仍是一個值得商榷的問題，畢竟GAA工藝也需要遵循一定的發展規律。”

摩爾定律將持續演進

芯片的製程越來越小，需要攻克的技術難點就越來越多，成本會變得越來越高昂，但這並不意味着摩爾定律將失效。芯片的製造工藝仍將不斷向更高製程演進。

對此，周鵬認爲，芯片製程將跟隨摩爾定律的腳步不斷發展。儘管在發展的過程中，會面臨更多技術、成本帶來的問題，但是人們對芯片性能的追求已經超過了經濟成本的範疇。“在芯片發展的早期，人們面對的是一個經濟問題。這是因爲集成電路芯片在發展初期，是一種需要儘快普及和應用的商業化產品，成本是其大規模應用和推廣時要面對的主要問題。每隔一段時間，單位面積的晶體管數量倍增，帶來的直接效應就是成本顯著降低。這推動了芯片的廣泛使用。尺寸微縮帶來的性能提升和功耗降低，也是爲降低生產成本服務的。隨着芯片滲透至人類生活的方方面面，它已經不是可有可無的商品，而是一個必需品。人們對芯片的依賴程度越來越高，所以對芯片性能的要求已慢慢超過了對經濟成本的要求。人們願意花更多的錢去體驗更好的性能。隨着技術天花板的到來，人們對性能的追求超過了經濟成本的範疇。”周鵬說道。

同時，周鵬認爲，隨着芯片製程發展至5nm節點以下，晶體管溝道長度將進一步縮短，晶體管中電荷的量子遂穿效應將更容易實現。這些不受控制的隧穿電荷，將導致晶體管產生較大的漏電流，進而使得芯片的功耗問題變得更加嚴重。

當然，這些也不是無法攻克的難題。在未來的技術發展中，爲了能夠更好地控制芯片功耗，具有更強溝道電流控制能力的GAA結構，將受到更多重視。事實上，早在三年前，三星便表示將在3nm製程中引入GAA技術，並計劃於2022年正式量產。臺積電也於去年宣稱，其在2nm製程研發中有重大突破，將選擇切入GAA技術。這些都能說明GAA技術在5nm節點之後的更小的製程中，會受到業界的普遍認可和青睞。

“但值得注意的是，在半導體領域當中，任何一種技術的迭代更新都需要經歷多年的試錯和改進。GAA結構雖然在5nm以下製程中具有較爲明顯的優勢，但它是否能實現預期的高性能和低功耗，還要看其製程中面臨的技術難題能否被一一攻克。”周鵬說道。

芯片還將向更先進製程發展。只要將足夠的時間留給新技術去更新迭代，很多問題都會迎刃而解。