華為5G芯片都靠它？臺(tái)積電7nn EUV 工藝正式商用
2019-10-10 10:28:02 類科技
臺(tái)積電在近日宣布，這家承擔(dān)了相當(dāng)多芯片制造工作的半導(dǎo)體工廠，成了業(yè)界首個(gè)可將N7+工藝商用的代工廠。首批采用臺(tái)積電N7+工藝制造的芯片，也將從近日開始向客戶交付。
N7+工藝便是采用EUV（極紫外光刻）的7nm制造工藝，根據(jù)臺(tái)積電的說(shuō)法，7nm EUV相比此前的7nm（N7）工藝，把晶體管密度提升了15%~20%，同時(shí)也順利降低了芯片功耗。
臺(tái)積電表示，7nm EUV也是有史以來(lái)量產(chǎn)最快的芯片制造工藝，在今年第二季度開始量產(chǎn)的時(shí)候，產(chǎn)能就已經(jīng)達(dá)到量產(chǎn)了一年多的7nm工藝的水平。相比至今沒(méi)有傳出代工芯片量產(chǎn)消息的三星7nm EUV，臺(tái)積電這次走在了前面。
（圖片來(lái)自WikiChip）
臺(tái)積電還小小地展望了計(jì)劃于2020年第一季度開始試產(chǎn)、年底前量產(chǎn)的6nm工藝，同樣使用了EUV的臺(tái)積電6nm工藝在設(shè)計(jì)上完全兼容當(dāng)前的7nm EUV，有望讓7nm EUV芯片的改進(jìn)產(chǎn)品更快速地推向市場(chǎng)。
突破制造極限，EUV不僅僅是后綴那么簡(jiǎn)單
正如此前展望5nm工藝時(shí)所說(shuō)的那樣，集成電路的密度隨著制程工藝的改進(jìn)而提升。無(wú)論是哪家廠商設(shè)計(jì)應(yīng)用于哪種設(shè)備，芯片工藝改進(jìn)都在讓設(shè)備進(jìn)步，其中關(guān)鍵的指標(biāo)便是晶體管之間的間隙。
從安卓手機(jī)進(jìn)入大眾視野時(shí)的60nm，到4G手機(jī)開始普及時(shí)的28nm，再到現(xiàn)在高端手機(jī)上普及的7nm，智能手機(jī)提供的表現(xiàn)越發(fā)強(qiáng)大，我們一直在見(jiàn)證著芯片工藝提升帶來(lái)的性能和續(xù)航革命。
5G和AI應(yīng)用是當(dāng)前的熱門話題，為了讓這些新技術(shù)更好地在手機(jī)上服務(wù)用戶，更應(yīng)該讓重要的硬件芯片，借助工藝提升得到新能力。芯片設(shè)計(jì)廠商，以及臺(tái)積電、三星這樣的制造工廠也是這樣想的，然而他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)事實(shí)：工藝提升已經(jīng)遭遇瓶頸。
半導(dǎo)體硅是最常見(jiàn)的芯片制造原料，工廠將冶煉切割后的硅晶圓放置于光刻機(jī)中，然后用光透過(guò)印有電路設(shè)計(jì)圖的掩膜進(jìn)行蝕刻，最后打磨切割封裝就得到了芯片。芯片制造多年來(lái)慣用控制光波長(zhǎng)來(lái)提升制程，這個(gè)方法到了nm級(jí)別卻開始失靈。
以5nm為例，傳統(tǒng)DUV（深紫外光刻）技術(shù)下蝕刻出的極低晶體管間隙導(dǎo)致了難以控制的漏電問(wèn)題，使得芯片性能損失比起進(jìn)步來(lái)說(shuō)得不償失。經(jīng)過(guò)多種嘗試，依舊沒(méi)法有效解決遭遇的工程難題，工藝提升的步伐似乎要就此停下來(lái)。
這個(gè)時(shí)候廠商們找到了從80年代起就提上議程的EUV（極紫外光刻），相比現(xiàn)在廣泛使用的DUV，波長(zhǎng)僅為13.5nm的EUV更能幫助工藝提升。臺(tái)積電、三星、英特爾等多家芯片制造廠共同投資數(shù)十億美元后，ASML公司帶來(lái)了首個(gè)能投入商用的EUV光刻機(jī)。
ASML的光刻機(jī)可以說(shuō)是高科技中的高精尖了，每臺(tái)價(jià)格至少上億美元，是DUV光刻機(jī)的近十倍，而且需要多架次波音737 Max才能完成運(yùn)輸。光是開動(dòng)這臺(tái)機(jī)器進(jìn)行生產(chǎn)，每小時(shí)就需要150度的電。
EUV的改進(jìn)不只是光線種類和波長(zhǎng)，還引入了浸液式光刻、真空蝕刻、多重成像等過(guò)去還在實(shí)驗(yàn)室中的技術(shù)，綜合起來(lái)之后才將工藝提升變成了現(xiàn)實(shí)。得益于EUV，我們見(jiàn)到了更強(qiáng)大的7nm工藝，5nm和3nm等過(guò)去約等于不可能的工藝也將在未來(lái)兩三年到來(lái)。
三星是首個(gè)宣布在量產(chǎn)芯片中使用7nm EUV工藝的廠商，今年8月發(fā)布的Galaxy Note 10手機(jī)就搭載了采用這一工藝的Exynos 9825處理器。由于手機(jī)版本限制，包括中國(guó)在內(nèi)的大部分地區(qū)，都無(wú)法見(jiàn)到Exynos 9825背后7nm EUV的真正實(shí)力。
根據(jù)此前的消息，高通明年的中端定位5G芯片7250將采用三星7nm EUV工藝生產(chǎn)，不過(guò)它可能并不是首個(gè)接觸全球用戶的7nm EUV芯片。采用臺(tái)積電7nm EUV工藝代工的麒麟990 5G，很快就會(huì)隨手機(jī)正式登場(chǎng)。
華為海思在麒麟990上采用了兩種制造工藝，不含5G基帶的麒麟990采用原版7nm工藝制造，集成了5G基帶的麒麟990 5G搶先用上了7nm EUV工藝。麒麟990 5G的晶體管數(shù)量達(dá)到了103億顆，相比上一代麒麟980的69億顆提升巨大。
拿到了首批5G產(chǎn)品的媒體和消費(fèi)者都發(fā)現(xiàn)，5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)手機(jī)的功耗以及發(fā)熱能力有更高的要求，這也是2019年智能手機(jī)紛紛用上4000毫安時(shí)以上電池并配備更大面積熱管散熱的原因。
EUV帶來(lái)的工藝改進(jìn)，有望成為提升5G時(shí)代手機(jī)體驗(yàn)的重要法寶：華為官方的數(shù)據(jù)顯示麒麟990 5G的功耗降低了20%、面積也縮小了36%，卻得到了20%的性能提升。在5G NR網(wǎng)絡(luò)下，上下行速率分別可達(dá)2.3Gbps和1.25Gbps。
頭頂首款臺(tái)積電商用7nm EUV芯片光環(huán)的麒麟990 5G，會(huì)隨著華為Mate 30 5G和Mate 30 Pro 5G在11月上市，這一新工藝能有多少能耐很快就能揭曉。
很可能在2020年iPhone上啟用的蘋果A14芯片，也會(huì)受益于EUV，不過(guò)蘋果的策略更為激進(jìn)，A14將采用5nm EUV工藝進(jìn)行制造。蘋果向來(lái)是大核心處理器的擁躉，A14或許能借助5nm EUV得到更大幅度的性能提升，并更有效地消除多層主板的散熱問(wèn)題。
如果想要在計(jì)算機(jī)上見(jiàn)到7nm EUV實(shí)現(xiàn)的效能改進(jìn)，那么可以期待一下AMD計(jì)劃在2020年發(fā)布的Zen 3架構(gòu)處理器，這批產(chǎn)品也會(huì)采用新工藝制造。在Zen以及Zen 2上，AMD通過(guò)架構(gòu)和制造工藝的雙重改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了處理器性能表現(xiàn)的大幅提升。
作為臺(tái)積電近年來(lái)的重要客戶之一，AMD一直在積極跟進(jìn)最新工藝。比起處理器領(lǐng)域頭號(hào)玩家英特爾今年來(lái)暫停鐘擺戰(zhàn)略，一直在改進(jìn)14nm工藝遲遲沒(méi)能正式進(jìn)入10nm的尷尬，AMD正在逐步實(shí)現(xiàn)彎道超車，讓消費(fèi)者有了同性能下更便宜的選擇。
至于臺(tái)積電多年來(lái)的合作伙伴高通，有消息稱驍龍865改投三星代工生產(chǎn)，這款2020年安卓陣營(yíng)的主力旗艦芯片，會(huì)成為三星7nm EUV工藝實(shí)力的證明。也有消息表示，下一代驍龍875又會(huì)回歸臺(tái)積電生產(chǎn)，采用蘋果A14同款5nm EUV工藝。
總結(jié)
EUV工藝的誕生并正式商用，意味著人類科技又一次完成了應(yīng)用層面的突破。就像是晶體管到集成電路、液晶面板變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)、鋰電池開始驅(qū)動(dòng)設(shè)備一樣，最前沿的產(chǎn)品制造再度跨過(guò)了“不可能”的制造難題，并開始影響實(shí)際生活。
如果你要問(wèn)7nm EUV以及未來(lái)的5nm EUV等工藝有什么實(shí)際作用，我只能像描述過(guò)去的工藝進(jìn)步那樣，告訴你性能、效能都得到了進(jìn)步。
正是這樣解決了一個(gè)又一個(gè)問(wèn)題的進(jìn)步，才造就了人們生活的變化，沒(méi)有從芯片到整機(jī)制造的一步步進(jìn)化，我們將很難想象當(dāng)今的科技生活。
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