将由EUV缓解5G时代的耗电和发热

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台积电在近日宣布,这家承担了相当多芯片制造工作的半导体工厂,成了业界首个可将N7+工艺商用的代工厂。首批采用台积电N7+工艺制造的芯片,也将从近日开始向客户交付。
 
台积电7nm EUV正式商用
 
N7+工艺便是采用EUV(极紫外光刻)的7nm制造工艺,根据台积电的说法,7nm EUV相比此前的7nm(N7)工艺,把晶体管密度提升了15%~20%,同时也顺利降低了芯片功耗。
 
台积电表示,7nm EUV也是有史以来量产最快的芯片制造工艺,在今年第二季度开始量产的时候,产能就已经达到量产了一年多的7nm工艺的水平。相比至今没有传出代工芯片量产消息的三星7nm EUV,台积电这次走在了前面。
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(图片来自WikiChip)
 
台积电还小小地展望了计划于2020年第一季度开始试产、年底前量产的6nm工艺,同样使用了EUV的台积电6nm工艺在设计上完全兼容当前的7nm EUV,有望让7nm EUV芯片的改进产品更快速地推向市场。
 
突破制造极限,EUV不仅仅是后缀那么简单
 
正如此前展望5nm工艺时所说的那样,集成电路的密度随着制程工艺的改进而提升。无论是哪家厂商设计应用于哪种设备,芯片工艺改进都在让设备进步,其中关键的指标便是晶体管之间的间隙。
 
从安卓手机进入大众视野时的60nm,到4G手机开始普及时的28nm,再到现在高端手机上普及的7nm,智能手机提供的表现越发强大,我们一直在见证着芯片工艺提升带来的性能和续航革命。
 
5G和AI应用是当前的热门话题,为了让这些新技术更好地在手机上服务用户,更应该让重要的硬件芯片,借助工艺提升得到新能力。芯片设计厂商,以及台积电、三星这样的制造工厂也是这样想的,然而他们发现了一个事实:工艺提升已经遭遇瓶颈。
 
半导体硅是最常见的芯片制造原料,工厂将冶炼切割后的硅晶圆放置于光刻机中,然后用光透过印有电路设计图的掩膜进行蚀刻,最后打磨切割封装就得到了芯片。芯片制造多年来惯用控制光波长来提升制程,这个方法到了nm级别却开始失灵。
 
以5nm为例,传统DUV(深紫外光刻)技术下蚀刻出的极低晶体管间隙导致了难以控制的漏电问题,使得芯片性能损失比起进步来说得不偿失。经过多种尝试,依旧没法有效解决遭遇的工程难题,工艺提升的步伐似乎要就此停下来。
 
这个时候厂商们找到了从80年代起就提上议程的EUV(极紫外光刻),相比现在广泛使用的DUV,波长仅为13.5nm的EUV更能帮助工艺提升。台积电、三星、英特尔等多家芯片制造厂共同投资数十亿美元后,ASML公司带来了首个能投入商用的EUV光刻机。
 
ASML的光刻机可以说是高科技中的高精尖了,每台价格至少上亿美元,是DUV光刻机的近十倍,而且需要多架次波音737 Max才能完成运输。光是开动这台机器进行生产,每小时就需要150度的电。
 
EUV的改进不只是光线种类和波长,还引入了浸液式光刻、真空蚀刻、多重成像等过去还在实验室中的技术,综合起来之后才将工艺提升变成了现实。得益于EUV,我们见到了更强大的7nm工艺,5nm和3nm等过去约等于不可能的工艺也将在未来两三年到来。
 
三星是首个宣布在量产芯片中使用7nm EUV工艺的厂商,今年8月发布的Galaxy Note 10手机就搭载了采用这一工艺的Exynos 9825处理器。由于手机版本限制,包括中国在内的大部分地区,都无法见到Exynos 9825背后7nm EUV的真正实力。
 
根据此前的消息,高通明年的中端定位5G芯片7250将采用三星7nm EUV工艺生产,不过它可能并不是首个接触全球用户的7nm EUV芯片。采用台积电7nm EUV工艺代工的麒麟990 5G,很快就会随手机正式登场。
 
5G时代的耗电和发热,或因EUV缓解
 
华为海思在麒麟990上采用了两种制造工艺,不含5G基带的麒麟990采用原版7nm工艺制造,集成了5G基带的麒麟990 5G抢先用上了7nm EUV工艺。麒麟990 5G的晶体管数量达到了103亿颗,相比上一代麒麟980的69亿颗提升巨大。
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拿到了首批5G产品的媒体和消费者都发现,5G网络对手机的功耗以及发热能力有更高的要求,这也是2019年智能手机纷纷用上4000毫安时以上电池并配备更大面积热管散热的原因。
 
EUV带来的工艺改进,有望成为提升5G时代手机体验的重要法宝:华为官方的数据显示麒麟990 5G的功耗降低了20%、面积也缩小了36%,却得到了20%的性能提升。在5G NR网络下,上下行速率分别可达2.3Gbps和1.25Gbps。
 
头顶首款台积电商用7nm EUV芯片光环的麒麟990 5G,会随着华为Mate 30 5G和Mate 30 Pro 5G在11月上市,这一新工艺能有多少能耐很快就能揭晓。
 
很可能在2020年iPhone上启用的苹果A14芯片,也会受益于EUV,不过苹果的策略更为激进,A14将采用5nm EUV工艺进行制造。苹果向来是大核心处理器的拥趸,A14或许能借助5nm EUV得到更大幅度的性能提升,并更有效地消除多层主板的散热问题。
 
如果想要在计算机上见到7nm EUV实现的效能改进,那么可以期待一下AMD计划在2020年发布的Zen 3架构处理器,这批产品也会采用新工艺制造。在Zen以及Zen 2上,AMD通过架构和制造工艺的双重改进,实现了处理器性能表现的大幅提升。
 
作为台积电近年来的重要客户之一,AMD一直在积极跟进最新工艺。比起处理器领域头号玩家英特尔今年来暂停钟摆战略,一直在改进14nm工艺迟迟没能正式进入10nm的尴尬,AMD正在逐步实现弯道超车,让消费者有了同性能下更便宜的选择。
 
至于台积电多年来的合作伙伴高通,有消息称骁龙865改投三星代工生产,这款2020年安卓阵营的主力旗舰芯片,会成为三星7nm EUV工艺实力的证明。也有消息表示,下一代骁龙875又会回归台积电生产,采用苹果A14同款5nm EUV工艺。
 
总结
 
EUV工艺的诞生并正式商用,意味着人类科技又一次完成了应用层面的突破。就像是晶体管到集成电路、液晶面板变为现实、锂电池开始驱动设备一样,最前沿的产品制造再度跨过了“不可能”的制造难题,并开始影响实际生活。
 
如果你要问7nm EUV以及未来的5nm EUV等工艺有什么实际作用,我只能像描述过去的工艺进步那样,告诉你性能、效能都得到了进步。
 
正是这样解决了一个又一个问题的进步,才造就了人们生活的变化,没有从芯片到整机制造的一步步进化,我们将很难想象当今的科技生活。
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