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小白也能看懂:半导体制程/工艺/生产的秘密
2017-11-30 20:11:10  出处:威锋网  作者:拾欢伯 编辑:上方文Q   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
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昨天三星宣布全新的10nm LPP工艺已经投产了,而LPP工艺相比骁龙835使用的LPE工艺,性能提升了10%,功耗下降了15%。

但作为一个辣鸡小编,其实我是看不太懂的,都是10nm制程,怎么还能提升性能呢?这些LPP、LPE都是指的什么,还有之前看到的FinFET这些词又都指的什么?

相信和小编有同样疑问的读者不在少数,索性今天我们就来刨根问底一番,看看现在火热的半导体究竟有哪些秘密。

小白也能看懂:半导体制程/工艺/生产的秘密

制程的秘密:多少nm很重要吗?

摩尔定律大家肯定都知道:每过18个月,单位面积上的晶体管数量增加一倍嘛!然而多年来半导体制程从65nm到32nm,再到28nm,还有近两年的14nm、16nm和10nm,感觉也没什么规律啊!

这里我们就需要认识一下尺寸的计算方式,以及“半代升级”和“整代升级”的概念了。

首先,单位面积内晶体管数量翻倍并不意味着制程就要缩小一半,缩小一半的话单位面积晶体管数量不就翻4倍吗?所以如果要保证两倍的成长,那么整代升级应该乘以0.7。

所以从14nm到10nm,以及后面从10nm到7nm,都是遵循了摩尔定律的整代升级。

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但是在几年以前,我们却经历过一段“半代升级”的风潮,打破了0.7的规律。

在40nm前后几年,正好是存储器需求飞速发展的时间段,考虑到0.9倍的制程升级就能将闪存容量提升1.24倍,且0.9倍的升级技术简单,半年就能完成,所以不少代工厂开始“半代升级”制程来帮助NAND闪存厂商抢占市场。

正常来说制程升级应该是45nm—32nm—22nm—14nm—10nm,也就是经典的Tick Tock,但是台积电当年在45nm之后却推出40nm,这也迫使英特尔和三星等厂商打破了规律,在2010年前后启用了NAND专属的35nm制程(有趣的是华为海思四核也用了35nm制程)。

而鸡贼的台积电后来又跳到28nm,抢占制程高地,这显然让英特尔和三星很不开心,所以后期三星和英特尔都回到了正常的升级策略,并且从那以后,英特尔就一直对半代升级嗤之以鼻(恼羞成怒)。

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而台积电在坚持了20nm和16nm两代之后,也主动回到了10nm的正轨。

原因非常简单,因为NAND颗粒并不是制程越小性能越好,20nm之后就会发生严重的电子干扰,所以在20nm制程后,各大厂商都转向了3D NAND技术,再往后大家也不在NAND的制程上较劲了。

工艺的秘密:这些字母其实很好懂

至于后缀的那些英文其实也不难理解,比如FinFET工艺(注意哦,多少纳米叫制程,而后缀指的是工艺),这一工艺最早由英特尔在22nm制程时提出,而现在英特尔、台积电和三星都用的FinFET。

因为制程中22nm是指每个晶体管中两个栅极之间的距离,所以22nm并不是指晶体管尺寸,一般一个22nm制程的晶体管尺寸高达90nm,而栅极间距越小电子流动的时间就越短,所以性能就提升了。

但是随着栅极距离越来越小,绝缘效果就会下降导致漏电,所以每经过几代制程升级,就需要有一次工艺升级来解决这个问题。

FinFET之前已经有过High-K、HKMG等工艺了,而FinFET之后,我们还会见证FD-SOI、GAA的竞争。

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至于FinFET的原理,它的全称是“鳍式场效晶体管”,简单说来就是讲栅极之间的绝缘层加高,来增强绝缘效果减少漏电现象。

是不是觉得挺傻瓜的?但往往是看起来很简单的想法,实现起来却无比困难。

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说完了FinFET,我们还有最后一个后缀,就是昨天报道中的LPP、LPE了。

其实这些指的都是同一代工艺中的不同种类,比如LPE(Low Power Early)指早期低功耗工艺,而LPP(Low Power Plus)指成熟的低功耗工艺,而适用于移动设备的LP系列其实还包含LPC、LPU。

而且这些后缀并不是10nm专属,三星FinFET工艺都是这样的命名方式,比如14nm FinFET中,骁龙820是LPP,而骁龙821则是LPU。

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并且除了LP系列之外,当然还有主打高性能的HP(High Performance)系列,这其中又分为很多种,这里就不展开讲了。

但是这也只是三星芯片的划分方法,像台积电虽然也是FinFET工艺,但是却分为了FinFET Plus、FinFET Compact等几种。

生产的秘密:光刻机被卡脖子啦!

说完了技术,我们最后不如落到生产上聊一聊?毕竟随着工艺的提升,对于生产设备的要求也越来越高了,过去各家在蚀刻晶圆的过程中用的都是深紫外光微影系统,简称DUV,而随着制程超过10nm,现在DUV已经满足不了精度要求,这时极紫外光微影系统(EUV)就上线了。

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说到EUV是不是觉得很眼熟?没错,不久前三星刚刚以1.5亿欧元每台的价格从ASML订购了10台EUV,然而ASML这么久也一共才生产了23台,很显然,三星是想在8nm/7nm时代抢占先机。

这已经不是他们第一次这么做了,当初在OLED的发展初期,他们就买走了市面上仅有7台蒸镀机中的5台(蒸镀是OLED生产中的重要步骤),借此延缓了LG和京东方的OLED生产计划。

总而言之,现在半导体行业在进入10nm时代之后,无疑将会面临制程、工艺以及生产的三重挑战,未来三星、台积电和Intel是会继续三足鼎立,还是会有人旧人掉队、新人加入呢?我们拭目以待!

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