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5nm手机芯片功耗过高 先进制程只是噱头?

文章来源:中国电子报、电子信息产业网 作者:沈丛 编辑:商城众网 发表时间:2021年02月06日 0

功耗是芯片制造工艺演进时备受关注的指标之一。比起7nm工艺节点,5nm工艺可以使产品性能提高15%,晶体管密度最多提高1.8倍。三星猎户座1080、华为麒麟9000、骁龙888和苹果的A14芯片都采取了5nm工艺制程。然而,5nm手机芯片功耗过高的问题却于近期被媒体频频报道。这也不禁令人产生质疑:先进制程是否只是噱头?芯片厂商是否还有必要花费高价和大量时间,在芯片先进制程方面持续进行研发和投入?

  先进制程只是噱头?

  数据显示,28nm工艺的设计成本为0.629亿美元。随着制程工艺的推进,芯片的设计成本迅速上升。7nm工艺节点的成本暴增至3.49亿美元,5nm工艺所需成本更是高达4.76亿美元。另有数据显示,台积电每片5nm晶圆的代工费用约为17000美元,这一数字几乎是7nm芯片所需费用的两倍。因为成本的压力,许多晶圆代工厂无法参与到先进制程工艺的赛道。目前,具备先进制程芯片生产能力的代工厂,仅有台积电、三星和英特尔三家。然而,高昂的付出却仍然无法解决功耗问题,先进制程工艺是否只是噱头?

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  “手机芯片的制程数值越小,意味着芯片晶体管尺寸进一步微缩,芯片中元器件的排列也更加密集。这使得单位面积内,芯片可集成的晶体管数目增多。此次手机芯片制程由7nm提升至5nm,使得芯片上集成的晶体管数目得到显著提升。以华为麒麟9000芯片为例,和上一代采用7nm工艺制程的麒麟990(5G版)相比,华为麒麟9000的晶体管数目足足多了50亿,总数目提高至153亿。晶体管数目越多,芯片相应的运算和存储能力也就越强,这使得芯片在程序运行加载速度、数据处理性能等方面都获得了较为显著的提升。除此之外,5nm手机SoC芯片更强调5G能力,5G基带芯片的集成使其在通信性能方面获得了明显提升。”复旦大学微电子学院教授周鹏向记者说道。

  随着摩尔定律的发展,半导体产业本身就是一部关于创新的著作,里面凝聚了许多迭代创新的技术,当然也包括了试错的过程。周鹏认为,5nm技术节点是目前先进半导体技术的集大成者。现阶段,5nm技术才刚推出第一代工艺,它所面对的问题主要源于工艺的不稳定性。在每一代工艺节点的研发中,新产品都会面临类似的问题,这种问题的解决还需要更多研发时间的投入和技术上的改进迭代。

  Gartner研究副总裁盛凌海也指出,任何新的工艺都需要有一个磨合期。随着技术的更新迭代,出现的问题将得到解决。手机芯片刚刚开启5nm时代,推出5nm手机芯片的厂商成为第一批“吃螃蟹的人”。然而,没有吃到“螃蟹黄”,并不意味着“螃蟹肉”就不够鲜美。随着时间的推移和技术的演进,5nm芯片会体现更多优势,让诸多手机厂商吃到“螃蟹黄”。

  为何会出现功耗问题?

  为何采用先进工艺制造的芯片产品容易出现功耗问题?周鹏介绍,目前的芯片产品越来越追求高性能,功耗的增加主要来源于“漏电”这一不可控现象。他表示,构成芯片的基本单元——晶体管可被视为一个控制电流的电子开关。它可以把功耗分成两部分,即静态功耗和动态功耗。动态功耗是指在开关过程中产生的功耗,而静态功耗是指开关在关闭时,泄漏电流产生的功耗。如今5nm手机芯片出现功耗过高的问题,主要是泄漏电流导致的静态功耗增加。

  为提高芯片的性能,就需要把电子开关对电流通断的控制能力提高,以加快开关的速度。这意味着,开关要在更小尺寸的情况下通过更大的电流。开关的尺寸越小,对制备工艺的要求就越高,这使得开关在关闭状态下,会有更多泄露电流。这部分产生的功耗是不可控的,是否产生功耗将直接由工艺的稳定性决定。要想使产品的性能提升,就需要更小的芯片制程,而芯片制程越小,就会为制造工艺带来更大的挑战。由于难以保障工艺的稳定性,漏电现象会愈发明显,功耗也会变大。

  也有声音称,此次5nm芯片出现功耗问题,意味着FinFET工艺结构将不再适用于5nm芯片制程。用于3nm工艺节点的GAA工艺结构,有望提前被用在5nm芯片中。

  自英特尔于2011年首次推出基于FinFET结构的22nm工艺以来,FinFET工艺结构已经在先进集成电路芯片中应用了十年。周鹏介绍,FinFET结构的提出是为了克服平面MOSFET结构下,由于源极和漏极越来越近、氧化物越来越薄所导致的漏电问题。它的优势主要体现在两个方面。一方面是可以使晶体管在更小的平面结构尺寸下,缓解漏电的问题;另一方面则是将晶体管的结构形态从二维层次突破到三维空间,提高了芯片的空间利用率。提出该结构的最终目的,是为了在单位面积内塞入更多的晶体管。

  然而,随着技术节点的进一步推进,FinFET结构也面临越来越大的困难与挑战。该结构的制备工艺十分复杂,会给工艺的稳定性方面带来一定困扰,使漏电问题无法得到有效保障。相比于三面围栅的FinFET结构,GAA技术采用的四面环栅结构,可以更好地抑制漏电流的形成和驱动电流的增大,更有利于实现性能和功耗之间的平衡。

  但是,周鹏也指出:“工艺的不稳定问题对GAA结构来说也同样存在,GAA和FinFET结构要解决的都是漏电问题。实现GAA工艺的难度并不比FinFET小,它的发展也需要一个技术改进的过程。GAA结构是在先进制程领域被普遍看好的工艺结构。但就目前5nm技术节点来说,不采用FinFET而采用GAA,仍是一个值得商榷的问题,毕竟GAA工艺也需要遵循一定的发展规律。”

  摩尔定律将持续演进

  芯片的制程越来越小,需要攻克的技术难点就越来越多,成本会变得越来越高昂,但这并不意味着摩尔定律将失效。芯片的制造工艺仍将不断向更高制程演进。

  对此,周鹏认为,芯片制程将跟随摩尔定律的脚步不断发展。尽管在发展的过程中,会面临更多技术、成本带来的问题,但是人们对芯片性能的追求已经超过了经济成本的范畴。“在芯片发展的早期,人们面对的是一个经济问题。这是因为集成电路芯片在发展初期,是一种需要尽快普及和应用的商业化产品,成本是其大规模应用和推广时要面对的主要问题。每隔一段时间,单位面积的晶体管数量倍增,带来的直接效应就是成本显著降低。这推动了芯片的广泛使用。尺寸微缩带来的性能提升和功耗降低,也是为降低生产成本服务的。随着芯片渗透至人类生活的方方面面,它已经不是可有可无的商品,而是一个必需品。人们对芯片的依赖程度越来越高,所以对芯片性能的要求已慢慢超过了对经济成本的要求。人们愿意花更多的钱去体验更好的性能。随着技术天花板的到来,人们对性能的追求超过了经济成本的范畴。”周鹏说道。

    同时,周鹏认为,随着芯片制程发展至5nm节点以下,晶体管沟道长度将进一步缩短,晶体管中电荷的量子遂穿效应将更容易实现。这些不受控制的隧穿电荷,将导致晶体管产生较大的漏电流,进而使得芯片的功耗问题变得更加严重。

  当然,这些也不是无法攻克的难题。在未来的技术发展中,为了能够更好地控制芯片功耗,具有更强沟道电流控制能力的GAA结构,将受到更多重视。事实上,早在三年前,三星便表示将在3nm制程中引入GAA技术,并计划于2022年正式量产。台积电也于去年宣称,其在2nm制程研发中有重大突破,将选择切入GAA技术。这些都能说明GAA技术在5nm节点之后的更小的制程中,会受到业界的普遍认可和青睐。

  “但值得注意的是,在半导体领域当中,任何一种技术的迭代更新都需要经历多年的试错和改进。GAA结构虽然在5nm以下制程中具有较为明显的优势,但它是否能实现预期的高性能和低功耗,还要看其制程中面临的技术难题能否被一一攻克。”周鹏说道。

  芯片还将向更先进制程发展。只要将足够的时间留给新技术去更新迭代,很多问题都会迎刃而解。


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