即使是 5nm 制程,已经令人难以确定能否从中找到任何优势了,3nm 很可能成为半导体终极先进制程,而 2nm 似乎太遥远…


在迈向 5nm、3nm 或甚至 2nm 半导体制程技术之路,业界工程师可能有多种选择,但有些人并不确定他们是否仍能从中找到任何商业利益,甚至是 5nm 制程。


为了打造尺寸日益缩小的晶片,所需的复杂度与成本越来越高,但却导致收益递减。日前于新思科技(Synopsys)用户大会(SNUG)的一场座谈会上,高通公司(Qualcomm)的一位工程师指出,行动处理器的资料速率将在 3GHz 达到峰值,而功耗和面积增益则从 7nm 开始缩减。


高通设计技术团队资深工程总监 Paul Penzes 指出,由于金属导线中存在电阻性,使得 10nm 时速度提升的 16%到了 7nm 时耗尽。此外,从 10nm 进展到 7nm,功耗节省的幅度将从 30%缩减到 10-25%,面积微缩的幅度也会从 37%减少到 20-30%。


数十年来,电子产业一直循“摩尔定律”(Moore’s law)所设定的开发蓝图——晶片上可容纳的电晶体数量大约每隔两年增加 1 倍。其结果是从个人电脑(PC)到智能手机等产品的尺寸越来越小、速度越来越快,价格也越来越便宜。


Penzes 说:“目前的晶片面积仍然以很高的两位数持续微缩,但在光罩背后所隐藏的成本增加,意味着实际的成本优势以及其他进展正开始放缓 ...... 目前尚不清楚到了 5nm 时还能保有什么。”这表示 5nm 节点很可能只是 7nm 的延伸。


来自 Synopsys 和三星(Samsung)的技术专家表示,当今的 FinFET 电晶体版本应该还能用于 5nm 节点。而当进展到低于 3.5nm 的宽度时,FinFET 将会达到极限。


新思科技研究人员兼电晶体专家 Victor Moroz 说,设计人员可能必须过渡到采用大约三层的横向纳米线堆叠,或称为“纳米矽板”(nano-slabs)。三星则宣布计划使用闸极全环(GAA)电晶体以实现 4nm 制程,目标是在 2020 年投入生产。


新思科技的 Munoz 表示,到了未来的技术节点,间距微缩将减缓至每世代约 0.8 倍左右。这将迫使设计人员将 7nm 时双鳍、6 轨的 228nm 单元高度结构,在 3nm 和 2nm 时缩减到单鳍、5 轨的 130-100nm 结构。


他总结说,使用这种技术,“矽晶似乎就能让我们安全地微缩至 2nm,而在那之后,我们可能就会开始使用石墨烯。”


然而,在最后的问答环节中,一位与会者对于这种单鳍 5 轨单元的结构表示震惊。

 

新思科技描绘迈向 2nm 的通用开发蓝图(来源:Synopsys)


新思科技部门研发总监 Henry Sheng 表示,更精细制程的复杂度迫使晶片设计师面对日益严苛的设计规则。例如,FinFET 对于工程师必须追踪的波形传播、电迁移和元件变异带来了新的效应。但他也乐观地认为,“这些效应最终都将得到解决”。


在这场座谈会上的专家们认为,成功最终将取决于代工厂、EDA 和设计工程师之间越来越密切的合作。在迈向目标进行时,高通公司认为,为了获得最佳产能,必须在生产开始之前对其先进设计进行调整,以及更清楚地定义制程节点。


“由于行动处理器的竞争非常激烈,代工厂导入的节点越来越不成熟,”Penzes 说:“如果超出了利润,那么平均单位成本就会上涨,而变得缺乏竞争力。”


“现在,在了解单元的电气特性之前,必须先掌握其环境,”他补充说。“即使是 10%的变异也可能让一个新节点的所有优势尽失,因此,以前存在的所有杂讯都必须克服。”


Penzes 指出最近的一些开发工作为此带来了希望。晶圆代工厂正在寻找以不同速率微缩各种单元的方法,而 EDA 供应商也承诺改善布线,其方式可能是采用极紫外光微影(EUV)技术。


Moroz 表示,工程师们也开始探索其他许多技术,以降低金属导线上的电阻率,从而为加速取得优势开启大门。其方式包括新的结构,例如跨越多个金属层的梯度和超导孔(super-vias),以及使用钴(Co)和钌(Ru)等新材料。

 

为了说明未来即将面对的挑战,Moroz 详细阐述开发蓝图。 (来源:Synopsys)


成功的恒久不变因素仍然是工程师有信心找到解决棘手问题的方法。


例如,三星承诺为搭配 EUV 的 7nm 制程制订规范,并计划在今年制造晶圆,不过它仍然在等待步进器。Samsung Foundry 设计支援副总裁 Jongwook Kye 在座谈会上表示,“只要 ASML 能够提供这些工具,我们就会开始投入大量制造。”。


同时,三星也正在试图为 2020 年的 4nm 生产定义新的电晶体。Kyle 说:“这是我们在未来几年内必须克服的挑战;只要能与工具供应商和其他公司密切合作,我相信我们最终能实现目标。”