（文章來源：天極網(wǎng)）

全球最大的晶圓代工廠臺積電近日宣布，其試產(chǎn)的最新一代5nm工藝良率超過第一代DUV光刻7nm工藝，讓臺積電5nm明年順利量產(chǎn)打下基礎(chǔ)。在計算機(jī)芯片世界中，諸如內(nèi)核數(shù)量、晶體管數(shù)量、晶體管密度、頻率等性能參數(shù)都是“越大越好”，但是工藝制程卻是“越小越好”，正如前面提到的臺積電的5nm工藝一樣，越小的工藝能夠帶來更高密度的晶體管，帶來更快的頻率和更強(qiáng)的性能。

在芯片行業(yè)里，特征尺寸與制程節(jié)點緊密相關(guān)，芯片內(nèi)部的每個執(zhí)行單元都可完成數(shù)學(xué)運算和數(shù)據(jù)存儲，性能依賴工藝節(jié)點(特指同一制造商)的每一次迭代。現(xiàn)實中用晶體管間的最小數(shù)值或是平均數(shù)值來表示工藝節(jié)點和性能。在處理器世界中，更大的組件意味著需要更長時間，才能變更其狀態(tài)、信號需要更長的傳播時間以及需要消耗更多的能量，更別提大芯片會占用更多的物理空間。

功耗方面，2006款賽揚處理器的熱設(shè)計功耗約為30W，老奔騰僅為12W。熱設(shè)計功耗的增加主要是隨著電能在芯片中電路周圍流動，能量在流動過程中大部分以熱量的形式釋放。盡管30W的熱設(shè)計功耗2.5倍于12W，但新CPU的晶體管數(shù)量是舊芯片近百倍;讓采用較小工藝節(jié)點的芯片能夠更小、更快地切換晶體管、提升每秒的運算量、并減少能耗(熱量)的散失。

制程工藝是一個不斷演進(jìn)的過程，制造就離不開“光刻”這一步。晶圓都是在一個圓形的硅晶片上進(jìn)行的，其大小主要有4英寸(100mm)、8英寸(200mm)和12英寸(300mm)三種直徑。工藝制造的重要一步就是需要涂光刻膠、并進(jìn)行掩膜。掩膜會遮擋某些區(qū)域的光線，被允許穿透的光線會集中在一個小點上，然后與芯片制造中使用的特殊層發(fā)生反應(yīng)，確定各個零件的位置。

可見光(380nm~750nm波長)是光譜一部分，其它還有無線電波、微波、X射線等。光刻的過程與X光的原理相似，骨頭擋住光線(起到光罩的作用)，肌肉組織允許X射線穿透，從而得出內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。目前，主流有深紫外光(DUV)和極紫外光刻(EUV)兩種光刻機(jī)，其中深紫外光刻機(jī)已經(jīng)可以做到7nm(每平方毫米大約1億個晶體管)，極紫外光刻機(jī)那13.5nm的波長則能夠進(jìn)一步微縮工藝制程。

英特爾、臺積電、格羅方德等制造商都已經(jīng)摸到極紫外(190nm左右)，新工藝不僅能將組件做得更小，而且品質(zhì)也能得到提升，將各個零件緊密封裝到一起有助于縮小芯片的整體尺寸。AMD依靠臺積電用上7nm工藝，但是部分最小特征跨度為6nm。硅原子本身直徑為0.1nm左右，構(gòu)成處理器主體的大部分硅原子的間距僅為0.5nm，也就是單個晶體管覆蓋不到10個硅原子。

英特爾一直努力使其10nm產(chǎn)能趕上14nm的水平，但目前使用EUV光刻的問題幾乎集中在EUV光刻技術(shù)的固有缺陷上，越薄的絕緣層讓電子躍遷和擊穿晶體管的概率大大增加，漏電大幅提升違背了晶體管微縮的最初目的。

至于廠商會如何選擇使用先進(jìn)制程，其最初目的只是期望降低單位性能的制造成本。假如英特爾使用14nm、300mm直徑的晶圓可以制造切割100顆芯片，但使用10nm可以切割200顆同樣性能的芯片，在拋出掉制造和開發(fā)成本之后，使用14nm制造的成本是否低于10nm工藝制造成芯片。如果14nm的單芯片制造成本高于10nm，英特爾就會選擇10nm制造芯片，反之亦然。

晶體管微縮的最初目的是節(jié)省制造成本，但是在開發(fā)、制造成本越來越高的今天，無論是傳統(tǒng)的IDM、無晶圓廠IC設(shè)計公司、純代工的Fabless工廠都會平衡產(chǎn)品的設(shè)計初衷和制造成本，再去選擇最合適的生產(chǎn)工藝。

線路圖方面，英特爾2019年開始出貨10nm工藝，7nm將使用EUV極紫外光科，預(yù)計2021年上市，最早是在英特爾Xe顯卡上使用。臺積電方面，其5nm已經(jīng)在下半年試產(chǎn)，2020年下半年大規(guī)模出貨;至于更先進(jìn)制程，臺積電已經(jīng)計劃在3nm節(jié)點上使用GAA(環(huán)繞式柵極)晶體管設(shè)計，但是目前依然以FinFET工藝為主。至于三星，7nm產(chǎn)品的訂單只有自家的Exynos系列SoC，目前有一使用其7nm工藝的有NVIDIA安培顯卡、AMD下一代RDNA 2架構(gòu)GPU和高通驍龍865 SoC。

（責(zé)任編輯：fqj）