1971年，Intel發(fā)布了第一個(gè)處理器4004，它采用10微米工藝生產(chǎn)，僅包含2300多個(gè)晶體管，而45年后的今天，Intel現(xiàn)在規(guī)模最大的是代號(hào)Knights Landing的新一代Xeon Phi處理器，14nm工藝制造，核心面積超過(guò)700mm2，擁有72億個(gè)晶體管，具備驚人的76個(gè)x86核心，搭配16GB MCDRAM緩存，現(xiàn)在的CPU能變得這么龐大當(dāng)然得歸功于半導(dǎo)體工藝的發(fā)展。
14nm的Knights Landing處理器具備76個(gè)核心
對(duì)半導(dǎo)體工藝的掌握不僅影響CPU復(fù)雜度，還會(huì)影響公司的命運(yùn)。Intel的處理器已經(jīng)進(jìn)入14nm工藝節(jié)點(diǎn)了，AMD的FX處理器還停留在32nm工藝上，要知道多年前AMD與Intel在半導(dǎo)體工藝上的差距可沒(méi)有現(xiàn)在這么大，因?yàn)锳MD之前也是有自己的晶圓廠的，工藝掌握在自己手中，現(xiàn)在已經(jīng)變成了無(wú)晶圓企業(yè)，工藝進(jìn)步需要依賴(lài)GlobalFoundries或者TSMC等代工廠。今天我們的超能課堂就要來(lái)探討一下這個(gè)問(wèn)題——先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝到底能帶來(lái)什么影響呢？
從摩爾定律說(shuō)開(kāi)去
說(shuō)到具體影響之前，我們得先提一提主宰半導(dǎo)體發(fā)展的金科玉律——摩爾定律。1965年仙童半導(dǎo)體公司的工程師戈登?摩爾撰文指出半導(dǎo)體電路集成的晶體管數(shù)量將每年增加一倍，性能提升一倍，之后又修正為每?jī)赡暝黾右槐叮@就是著名的摩爾定律，而半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)符合摩爾定律超過(guò)半世紀(jì)了，雖然近幾年有放緩跡象，但是摩爾定律依然會(huì)持續(xù)下去。
Intel對(duì)半導(dǎo)體工藝的進(jìn)展預(yù)期
按照摩爾定律的發(fā)展趨勢(shì)，晶體管的柵極間距每?jī)赡陼?huì)縮小0.7倍，在1971年推出的10μm處理器后，經(jīng)歷了6μm、3μm、1μm、0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm還有現(xiàn)在最新的14nm，半導(dǎo)體工藝制程正在變得越來(lái)越小，而這樣做有什么好處呢？
優(yōu)點(diǎn)之一：制程越小就能塞下更多的晶體管，成本下降
CPU的生產(chǎn)是需要經(jīng)過(guò)7個(gè)工序的，分別是：硅提純，切割晶圓，影印，蝕刻，重復(fù)、分層，封裝，測(cè)試， 而當(dāng)中的蝕刻工序是CPU生產(chǎn)的重要工作，也是重頭技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)蝕刻就是用激光在硅晶圓制造晶體管的過(guò)程，蝕刻這個(gè)過(guò)程是由光完成的，所以用于蝕刻的光的波長(zhǎng)就是該技術(shù)提升的關(guān)鍵，它影響著在硅晶圓上蝕刻的最小尺寸，也就是線寬。
現(xiàn)在半導(dǎo)體工藝上所說(shuō)的多少nm工藝其實(shí)是指線寬，也就是芯片上的最基本功能單位門(mén)電路的寬度，因?yàn)閷?shí)際上門(mén)電路之間連線的寬度同門(mén)電路的寬度相同，所以線寬可以描述制造工藝。縮小線寬意味著晶體管可以做得更小、更密集，而且在相同的芯片復(fù)雜程度下可使用更小的晶圓，于是成本降低了。
Intel不同制程工藝的成本、核心面積進(jìn)化路線圖
優(yōu)點(diǎn)之二：頻率更高，電壓更低
更先進(jìn)半導(dǎo)體制造工藝另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是可以提升工作頻率，縮減元件之間的間距之后，晶體管之間的電容也會(huì)降低，晶體管的開(kāi)關(guān)頻率也得以提升，從而整個(gè)芯片的工作頻率就上去了。
另外晶體管的尺寸縮小會(huì)減低它們的內(nèi)阻，所需導(dǎo)通電壓會(huì)降低，這代表著CPU的工作電壓會(huì)降低，所以我們看到每一款新CPU核心，其電壓較前一代產(chǎn)品都有相應(yīng)降低。另外CPU的動(dòng)態(tài)功耗損失是與電壓的平方成正比的，工作電壓的降低，可使它們的功率也大幅度減小。
工藝升級(jí)的障礙：漏電流
然而半導(dǎo)體工藝是不可能一直無(wú)下限的縮小制程的，漏電流這個(gè)問(wèn)題是當(dāng)中一個(gè)重要因素。在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的門(mén)與通道之間是有一層絕緣的二氧化硅的，作用就是防止漏電流的，這個(gè)絕緣層越厚絕緣作用越好，然而隨著工藝的發(fā)展，這個(gè)絕緣層的厚度被慢慢削減，原本僅數(shù)個(gè)原子層厚的二氧化硅絕緣層會(huì)變得更薄進(jìn)而導(dǎo)致泄漏更多電流，隨后泄漏的電流又增加了芯片額外的功耗。
傳統(tǒng)工藝制造的晶體管（左）與3D晶體管（右）模型對(duì)比，黑色部分就是絕緣層
要解決漏電流這個(gè)問(wèn)題，繼續(xù)沿用以往的工藝是不可能的，2007年Intel在45nm這個(gè)節(jié)點(diǎn)就引入了HKMG工藝，而在2011年Intel在22nm節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入了3D晶體管也就是FinFET工藝，它們都可以有效降低漏電率。
22nm 3D晶體管比32nm工藝大大降低了漏電流
在改善工藝的同時(shí)，科研人員很早就開(kāi)始尋找新的半導(dǎo)體材料，包括砷化鎵、碳納米管甚至量子阱晶體管。2015年IBM及合作伙伴三星、GlobalFoundries率先展示了7nm工藝芯片，使用的就是硅鍺材料，使用這種材料的晶體管開(kāi)關(guān)速度更快，功耗更低，而且密度更高，可以輕松實(shí)現(xiàn)200億晶體管，晶體管密度比目前的硅基半導(dǎo)體高出一個(gè)量級(jí)。
工藝升級(jí)使功耗密度上升？
另外在2012年Intel發(fā)布22nm工藝的Ivy Bridge時(shí)，大家都發(fā)現(xiàn)這款處理器比上一代Sandy Bridge溫度要高相當(dāng)多，當(dāng)時(shí)有個(gè)解釋就是IVB的核心面積下降而晶體管密度上升，因此功耗密度比SNB要高，而接觸面積的減少使得散熱效率降低，這聽(tīng)上去很有道理但是導(dǎo)致IVB高溫的原因并不是這個(gè)。
SNB上使用的一直是fluxless solder（無(wú)釬劑焊料），而IVB上改用了TIM膏（類(lèi)似硅脂），這二者的導(dǎo)熱系數(shù)明顯不同，前者可達(dá)80 W/mK，而TIM膏只有5 W/mK，不少外媒對(duì)IVB處理器進(jìn)行了開(kāi)蓋測(cè)試，更換導(dǎo)熱系數(shù)更高的液態(tài)金屬散熱膏后溫度會(huì)下降15-20℃之多。所以更先進(jìn)的工藝會(huì)使功耗密度上升這個(gè)未必是成立的。
總結(jié)：
半導(dǎo)體工藝是決定各種集成電路性能、功耗的關(guān)鍵，這篇課堂中我們簡(jiǎn)單介紹了先進(jìn)工藝帶來(lái)的兩大好處——晶體管密度提升從而降低了成本，其次就是晶體管頻率提高，性能提升而功耗降低。但是半導(dǎo)體工藝發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)接近10nm，再往下工藝升級(jí)的困難越來(lái)越大，科技公司迫切需要尋找新的材料、技術(shù)來(lái)突破障礙。在這一點(diǎn)上，Intel已經(jīng)表達(dá)了他們的自信，表示7nm節(jié)點(diǎn)上公司將重回摩爾定律正軌，保持2年升級(jí)一次工藝的節(jié)奏。
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