硬件三巨头间的3nm/2nm“大乱斗”( 二 )

2021-05-25

一段时间以来，节点名称已经成为纯粹的营销名称。例如，5nm是当今最先进的工艺，但5nm的规格还没有达成一致，3nm、2nm等也是如此，当供应商对节点使用不同的定义时，就更让人困惑了。英特尔正以10nm工艺生产芯片，这大致相当于台积电和三星的7nm工艺。
多年来，供应商或多或少地遵循国际半导体技术路线图（ITRS）定义晶体管微缩规格。2015年，ITRS的工作被叫停，业界只能自己定义规格。取而代之的是，IEEE实施了设备和系统的国际路线图（IRDS），该路线图的重点是延续摩尔定律（More Moore）和超越摩尔定律（More Than Moore）。
Draeger说：“不变的是，我们期望节点扩展能够带来更好设备性能，更高的电源效率和更少的制造成本。”
这并非易事，多年来，供应商一直使用传统的平面晶体管来开发芯片，但这一结构在10年前的20nm处就已经触礁。平面晶体管仍用于28nm / 22nm及以上的芯片制造，但业界需要一种新的解决方案，这也就是为什么英特尔在2011年推出了22nm的FinFET，晶圆制造厂紧随其后推出了16nm / 14nm的FinFET 。在FinFET中，电流的控制是通过在Fin的三个边的每个边上实现一个栅极来完成的。
FinFET使业界能够继续进行芯片微缩，但它们也更复杂、功能更小，导致设计成本不断攀升。根据IBS首席执行官汉德尔·琼斯（Handel Jones）的说法，设计一款“主流” 7nm芯片的成本为2.17亿美元，而设计一款28nm芯片的成本为4000万美元。在这种情况下，成本是在一项技术投产后的两年或两年以上后确定的。
7nm及以下，静态泄漏再次成为问题，功率和性能效益也开始减少。现在，性能提升在15％到20％的范围内。
在制造方面，FinFET需要更复杂的工艺、新材料和不同的设备。这反过来又会提高制造成本。”如果你把45nm和5nm进行比较，今天我们会看到晶圆成本增加了5倍。这是由于所需处理步骤增加所致”，TEL America副总裁兼副总经理本·拉特萨克（Ben Rathsack）说。
随着时间的推移，拥有生产尖端芯片资源或能够看到其价值的公司越来越少。如今，GlobalFoundries、三星、中芯国际、台积电、UMC和英特尔正在生产16nm/14nm的芯片(英特尔称之为22nm）。但只有三星和台积电有能力制造7nm和5nm的芯片。英特尔仍在开发7nm及更高版本，中芯国际也在开发7nm 。
从FinFET转向纳米片

在3nm及以下时，微缩变得更加困难。开发可靠且符合规范的低功耗芯片面临一些挑战。此外，IBS的数据显示，开发主流3nm芯片设计的成本高达5.9亿美元，而5nm器件的成本为4.16亿美元。
在制造方面，代工厂的客户可以在3nm走两条不同的路，但同样要面临艰难的选择和各种权衡。
台积电计划通过缩小5nm FinFET的尺寸来将FinFET扩展到3nm，尽可能实现无缝过渡。IBS的琼斯说：“ TSMC计划在2022年第三季度为苹果公司提供3nm FinFET的量产，计划在2023年实现高性能计算。”
不过，这是一项短期策略。当鳍片宽度达到5nm（等于3nm节点）时，FinFET将接近实际极限。根据新的IDRS文件，3nm节点相当于16nm至18nm的栅极长度，45nm的栅极间距和30nm的金属间距。相比之下，5nm节点相当于18nm至20nm的栅极长度，48nm的栅极间距和32nm的金属间距。
一旦FinFET碰壁，芯片制造商将迁移到纳米片FET 。三星从一开始就采用3nm的纳米片FET，根据IBS的数据，该产品定于2022年第四季度实现生产。
IBS还称，台积电计划在2024年推出2nm的纳米片FET 。英特尔也在开发GAA 。多家无晶圆厂设计公司正在研究3nm和2nm器件，苹果等公司计划将该技术用于下一代器件。
纳米片FET是从FinFET进化而来的。在纳米片中，来自FinFET的鳍被放在其侧面，然后被分成单独的水平片。片与片之间形成通道。第一纳米片FET将可能具有3个左右的片，用一扇门包裹着所有的薄片或通道。
纳米片在结构的四个侧面上实现了栅极，比FinFET能够更好地控制电流。Leti的高级集成工程师Sylvain Barraud说：“除了具有更好的栅极控制能力（与FinFET相比）以外，GAA堆叠的纳米片FET还具有更高的有效沟道宽度，从而提供了更高的DC性能。”
相对于FinFET，纳米片FET还具有其他优势。在FinFET中，器件的带宽被量化，这影响了设计的灵活性。在纳米片中，IC供应商有能力改变晶体管中片的宽度。例如，具有更宽薄片的纳米片提供了更多的驱动电流和性能。窄的纳米片具有较小的驱动电流，但占用的面积较小。
“宽范围的可变纳米片宽度提供了更大的设计灵活性，对于FinFET来说由于鳍片数量不连续，更加灵活的设计性是不可能的。最后，由于使用不同的功函数金属，GAA技术还提出了多种阈值电压特性”，Barraud说。

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