先进工艺研发为何那么难

infowei · 发表于 2021-11-13 23:52:41

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近期，有媒体报道称，台积电最新 3nm 工艺陷入瓶颈，投产遭遇困难，可能无法如期进入大规模量产阶段。随着摩尔定律的不断延伸，芯片巨头们频频在先进工艺上“翻车”，英特尔从10nm开始频频遭遇“难产”，三星5nm芯片也被连续传出良品率低下的消息。而如今，芯片代工界的“风向标”台积电也被传出在3nm工艺遇阻，先进工艺的开发究竟难在何处？

受台积电3nm“难产”影响，苹果新机或将转向4nm

据了解，苹果作为台积电3nm最大的客户所受影响最为严重。预计苹果明年的新机 iPhone 14 所搭载的 A16 芯片，恐无法使用 3nm 工艺，可能会转向 4nm 工艺。

尽管近期台积电已针对网上传言做出回应，即3nm制程按照计划进行，不评论客户或市场传闻，但对于3nm人们依旧疑虑重重。这是由于，此前台积电曾表示3nm将于今年试生产并于明年量产，然而目前还没有听闻任何关于台积电3nm投产的消息。

此外，就算此次台积电3nm成功量产，初期的产能估计不高，不敢保证能满足苹果的订单需求。此前有媒体报道称，英特尔是台积电3nm工艺的最大客户，会占据绝大部分的产能。而苹果 A 系列芯片的订单量又非常庞大，今年A15就已超过1亿枚，可见，台积电3nm的订单恐怕很难同时满足双方的需求。

先进工艺研发难于上青天

先进工艺研发难于上青天，而先进工艺研发难，究竟难在何处？

首先，芯片制程的不断演进，最直观的变化便是芯片上集成的晶体管数目获得了显著提升，从而芯片良率问题越来越难以得到保障。

以华为麒麟9000为例，其5nm芯片的晶体管数目比上一代采用7nm工艺制程的麒麟990（5G版）足足多出50亿个，总数目提高到了153亿之多。而晶体管数目越多，芯片相应的运算和存储能力也就越强，进而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较为显著的提升。

然而，随着芯片中的晶体管数量的提升，密度也越来越高，复旦大学微电子学院副院长周鹏介绍，晶体管微缩进入亚5纳米后遭遇的短沟道和泄露等挑战越发严峻，一旦沟道厚度小于4纳米，材料晶格缺陷造成的散射会使载流子迁移率发生严重退化，妨碍摩尔定律推进。

因此，进入先进制程后，众多芯片代工厂商开始面临晶圆代工良率改善的难题，例如，近日有消息称，三星代工业务遭遇不顺，三星电子华城园区V1厂部分5nmEUV良率甚至低于50%。

其次，先进制程芯片的成本给众多芯片厂商带来了巨大的压力，使得越来越多的芯片厂商选择退出先进制程的市场竞争。市场研究机构International Business Strategies (IBS)数据显示，28nm之后芯片的成本迅速上升。28nm工艺的成本为0.629亿美元，而到了7nm和5nm，芯片的成本大幅增加迅速暴增，5nm将增至4.76亿美元。

据了解，台积电在2020年财报中表示，2021年的资本支出将提升至250亿美元~280亿美元，远远超出2020年的172亿美元。80%的资本将用于先进制程的研发，包括3nm、5nm和7nm。

之所以先进制程芯片的成本不断增加，不可忽视的是半导体制造设备成本每年增加11%，每颗芯片的设计成本增加24%，其增长率都高于半导体市场7%的增长率。

同时，随着半导体复杂性的增加，对高端人才的需求也不断增长，这也进一步推高了先进制程芯片的成本。报告中指出，研究人员的有效数，即用半导体研发支出除以高技能研究人员的工资，从1971年到2015年增长了18倍。

难，不意味着无法前进

今年年初，5nm手机芯片集体“翻车”事件，使得人们对于5nm芯片的良品率低、质量翻车等质疑声不绝于耳。随着技术节点的不断提升，芯片的研发成本和难度都在与日俱增，此次传闻台积电3nm工艺陷入瓶颈，使得人们对于即将出炉的3nm芯片也抱有着质疑态度，业界对摩尔定律继续演进的未来演进路线愈发感觉不清晰。

“先进工艺在研发生产过程中，出现一些问题，这是再正常不过的现象，技术的研发就是个不断试错的过程，出现问题并不可怕，在技术迭代的过程中及时进行修复即可，而不是因为怕犯错误就选择放弃。”知名专家莫大康说道。

事实上，在芯片发展的过程中，对于摩尔定律的质疑声从未停歇，然而，摩尔定律却从未走向尽头，人们对于先进制程的追求仍在继续，可见，先进制程技术的研发虽然难，但是并不意味着无法前行，各种新兴技术如同雨后春笋般逐渐露出水面。

周鹏介绍，随着芯片制程发展至5nm以下，晶体管沟道长度的进一步缩短，晶体管中电荷的量子遂穿效应将变得更加容易，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将变得更加严峻。为了更好的控制芯片功耗，具有更强沟道电流控制能力的GAA结构将受到更多的重视。相较于三面围栅的FinFET结构，GAA技术的四面环栅结构可以更好地抑制漏电流的形成以及增大驱动电流，进而更有利于实现性能和功耗之间的有效平衡。如今，三星已经先发一步在3nn中采用GAA技术，同时，台积电也表示将在2nm技术中采用GAA技术，说明GAA技术在5nm之后以及更小的制程中，更受到业界的普遍认可和青睐。

此外，为了弥补三维半导体材料缺陷，二维半导体材料开始逐步映入了人们的眼帘。据了解，台积电利用半金属铋（Bi）作为二维材料的接触电极，在1nm技术中实现关键突破，可大幅降低电阻并提高电流。

南京大学教授王欣然表示，由于二维半导体材料最为显著的两个特点是薄以及能够垂直堆叠，因此二维半导体未来可能会在水平和垂直两个维度上延续摩尔定律，未来有助于在更先进的制程技术上实现突破。

可见，虽然随着芯片技术节点的提升，技术难度越来越大，研发成本也越来越高昂，但这并不意味着摩尔定律结束。只是由于技术节点的不断延伸，研发难度越来越大，出现的问题也难免增多，但新兴技术也在不断发展。然而，在半导体领域当中，任何一种技术的转换更迭往往都需要经历多年的试错和改进，这些新的技术，能否最终实现预期的高性能和低功耗的效果，还需静待时日。