火熱的半導(dǎo)體究竟有哪些秘密？

三星宣布全新的 10nm LPP 工藝已經(jīng)投產(chǎn)了，而 LPP 工藝相比驍龍835使用的 LPE 工藝，性能提升了10%，功耗下降了15%。但作為一個(gè)辣雞小編，其實(shí)我是看不太懂的，都是10nm制程，怎么還能提升性能呢？這些 LPP、LPE 都是指的什么，還有之前看到的 FinFET 這些詞又都指的什么？相信和小編有同樣疑問的讀者不在少數(shù)，索性今天我們就來刨根問底一番，看看現(xiàn)在火熱的半導(dǎo)體究竟有哪些秘密。

制程的秘密：多少nm很重要嗎?

摩爾定律大家肯定都知道：每過18個(gè)月，單位面積上的晶體管數(shù)量增加一倍嘛！然而多年來半導(dǎo)體制程從65nm到32nm，再到28nm，還有近兩年的14nm、16nm和10nm，感覺也沒什么規(guī)律??！這里我們就需要認(rèn)識(shí)一下尺寸的計(jì)算方式，以及“半代升級(jí)”和“整代升級(jí)”的概念了。

首先，單位面積內(nèi)晶體管數(shù)量翻倍并不意味著制程就要縮小一半，縮小一半的話單位面積晶體管數(shù)量不就翻4倍嗎？所以如果要保證兩倍的成長(zhǎng)，那么整代升級(jí)應(yīng)該乘以0.7。所以從14nm 到10nm，以及后面從10nm 到7nm，都是遵循了摩爾定律的整代升級(jí)。

但是在幾年以前，我們卻經(jīng)歷過一段“半代升級(jí)”的風(fēng)潮，打破了0.7的規(guī)律。在 40nm 前后幾年，正好是存儲(chǔ)器需求飛速發(fā)展的時(shí)間段，考慮到0.9倍的制程升級(jí)就能將閃存容量提升1.24倍，且0.9倍的升級(jí)技術(shù)簡(jiǎn)單，半年就能完成，所以不少代工廠開始“半代升級(jí)”制程來幫助 NAND 閃存廠商搶占市場(chǎng)。

正常來說制程升級(jí)應(yīng)該是45nm—32nm—22nm—14nm—10nm，也就是經(jīng)典的Tick Tock。但是臺(tái)積電當(dāng)年在 45nm 之后卻推出40nm，這也迫使英特爾和三星等廠商打破了規(guī)律，在2010年前后啟用了 NAND 專屬的 35nm 制程（有趣的是華為海思四核也用了35nm 制程）。而雞賊的臺(tái)積電后來又跳到 28nm，搶占制程高地，這顯然讓英特爾和三星很不開心，所以后期三星和英特爾都回到了正常的升級(jí)策略，并且從那以后，英特爾就一直對(duì)半代升級(jí)嗤之以鼻（惱羞成怒）。

而臺(tái)積電在堅(jiān)持了 20nm 和 16nm 兩代之后，也主動(dòng)回到了 10nm 的正軌。原因非常簡(jiǎn)單，因?yàn)?NAND 顆粒并不是制程越小性能越好，20nm 之后就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的電子干擾，所以在 20nm 制程后，各大廠商都轉(zhuǎn)向了3D NAND 技術(shù)（如果大家對(duì)閃存有興趣我們今后也可以科普），再往后大家也不在 NAND 的制程上較勁了。

工藝的秘密：這些字母其實(shí)很好懂

至于后綴的那些英文其實(shí)也不難理解，比如 FinFET 工藝（注意哦，多少納米叫制程，而后綴指的是工藝），這一工藝最早由英特爾在22nm 制程時(shí)提出，而現(xiàn)在英特爾、臺(tái)積電和三星都用的FinFET 。

因?yàn)橹瞥讨?22nm 是指每個(gè)晶體管中兩個(gè)柵極之間的距離，所以 22nm 并不是指晶體管尺寸，一般一個(gè) 22nm 制程的晶體管尺寸高達(dá) 90nm ，而柵極間距越小電子流動(dòng)的時(shí)間就越短，所以性能就提升了。但是隨著柵極距離越來越小，絕緣效果就會(huì)下降導(dǎo)致漏電，所以每經(jīng)過幾代制程升級(jí)，就需要有一次工藝升級(jí)來解決這個(gè)問題。FinFET 之前已經(jīng)有過High-K、HKMG 等工藝了，而 FinFET 之后，我們還會(huì)見證 FD-SOI 、GAA的競(jìng)爭(zhēng)。

至于 FinFET 的原理，它的全稱是“鰭式場(chǎng)效晶體管”，簡(jiǎn)單說來就是講柵極之間的絕緣層加高，來增強(qiáng)絕緣效果減少漏電現(xiàn)象，是不是覺得挺傻瓜的？但往往是看起來很簡(jiǎn)單的想法，實(shí)現(xiàn)起來卻無比困難。

說完了 FinFET，我們還有最后一個(gè)后綴，就是昨天報(bào)道中的 LPP、LPE 了，其實(shí)這些指的都是同一代工藝中的不同種類，比如 LPE（Low Power Early） 指早期低功耗工藝，而 LPP(Low Power Plus)指成熟的低功耗工藝，而適用于移動(dòng)設(shè)備的 LP 系列其實(shí)還包含 LPC、LPU 。而且這些后綴并不是10nm 專屬，三星 FinFET 工藝都是這樣的命名方式，比如14nm FinFET 中，驍龍820是 LPP，而驍龍821則是 LPU。

并且除了 LP 系列之外，當(dāng)然還有主打高性能的 HP(High Performance)系列， 這其中又分為很多種，這里就不展開講了。但是這也只是三星芯片的劃分方法，像臺(tái)積電雖然也是 FinFET 工藝，但是卻分為了FinFET Plus、FinFET Compact 等幾種。

生產(chǎn)的秘密：***被卡脖子啦！

說完了技術(shù)，我們最后不如落到生產(chǎn)上聊一聊？畢竟隨著工藝的提升，對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備的要求也越來越高了，過去各家在蝕刻晶圓的過程中用的都是深紫外光微影系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱 DUV，而隨著制程超過10nm，現(xiàn)在 DUV 已經(jīng)滿足不了精度要求，這時(shí)極紫外光微影系統(tǒng)（EUV）就上線了。

說到 EUV 是不是覺得很眼熟？沒錯(cuò)，不久前三星剛剛以1.5億歐元每臺(tái)的價(jià)格從 ASML 訂購了10臺(tái) EUV ，然而 ASML 這么久也一共才生產(chǎn)了23臺(tái)，很顯然，三星是想在 8nm/7nm 時(shí)代搶占先機(jī)。這已經(jīng)不是他們第一次這么做了，當(dāng)初在 OLED 的發(fā)展初期，他們就買走了市面上僅有7臺(tái)蒸鍍機(jī)中的5臺(tái)（蒸鍍是OLED 生產(chǎn)中的重要步驟），借此延緩了 LG 和京東方的 OLED 生產(chǎn)計(jì)劃。

總而言之，現(xiàn)在半導(dǎo)體行業(yè)在進(jìn)入10nm 時(shí)代之后，無疑將會(huì)面臨制程、工藝以及生產(chǎn)的三重挑戰(zhàn)，未來三星、臺(tái)積電和 Intel 是會(huì)繼續(xù)三足鼎立，還是會(huì)有人舊人掉隊(duì)、新人加入呢？我們拭目以待！