華為5G芯片都靠它？臺積電7nn EUV 工藝正式商用
2019-10-10 10:28:02 類科技
臺積電在近日宣布，這家承擔了相當多芯片制造工作的半導體工廠，成了業界首個可將N7+工藝商用的代工廠。首批采用臺積電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，根據臺積電的說法，7nm EUV相比此前的7nm（N7）工藝，把晶體管密度提升了15%~20%，同時也順利降低了芯片功耗。
臺積電表示，7nm EUV也是有史以來量產最快的芯片制造工藝，在今年第二季度開始量產的時候，產能就已經達到量產了一年多的7nm工藝的水平。相比至今沒有傳出代工芯片量產消息的三星7nm EUV，臺積電這次走在了前面。
（圖片來自WikiChip）
臺積電還小小地展望了計劃于2020年第一季度開始試產、年底前量產的6nm工藝，同樣使用了EUV的臺積電6nm工藝在設計上完全兼容當前的7nm EUV，有望讓7nm EUV芯片的改進產品更快速地推向市場。
突破制造極限，EUV不僅僅是后綴那么簡單
正如此前展望5nm工藝時所說的那樣，集成電路的密度隨著制程工藝的改進而提升。無論是哪家廠商設計應用于哪種設備，芯片工藝改進都在讓設備進步，其中關鍵的指標便是晶體管之間的間隙。
從安卓手機進入大眾視野時的60nm，到4G手機開始普及時的28nm，再到現在高端手機上普及的7nm，智能手機提供的表現越發強大，我們一直在見證著芯片工藝提升帶來的性能和續航革命。
5G和AI應用是當前的熱門話題，為了讓這些新技術更好地在手機上服務用戶，更應該讓重要的硬件芯片，借助工藝提升得到新能力。芯片設計廠商，以及臺積電、三星這樣的制造工廠也是這樣想的，然而他們發現了一個事實：工藝提升已經遭遇瓶頸。
半導體硅是最常見的芯片制造原料，工廠將冶煉切割后的硅晶圓放置于光刻機中，然后用光透過印有電路設計圖的掩膜進行蝕刻，最后打磨切割封裝就得到了芯片。芯片制造多年來慣用控制光波長來提升制程，這個方法到了nm級別卻開始失靈。
以5nm為例，傳統DUV（深紫外光刻）技術下蝕刻出的極低晶體管間隙導致了難以控制的漏電問題，使得芯片性能損失比起進步來說得不償失。經過多種嘗試，依舊沒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。
這個時候廠商們找到了從80年代起就提上議程的EUV（極紫外光刻），相比現在廣泛使用的DUV，波長僅為13.5nm的EUV更能幫助工藝提升。臺積電、三星、英特爾等多家芯片制造廠共同投資數十億美元后，ASML公司帶來了首個能投入商用的EUV光刻機。
ASML的光刻機可以說是高科技中的高精尖了，每臺價格至少上億美元，是DUV光刻機的近十倍，而且需要多架次波音737 Max才能完成運輸。光是開動這臺機器進行生產，每小時就需要150度的電。
EUV的改進不只是光線種類和波長，還引入了浸液式光刻、真空蝕刻、多重成像等過去還在實驗室中的技術，綜合起來之后才將工藝提升變成了現實。得益于EUV，我們見到了更強大的7nm工藝，5nm和3nm等過去約等于不可能的工藝也將在未來兩三年到來。
三星是首個宣布在量產芯片中使用7nm EUV工藝的廠商，今年8月發布的Galaxy Note 10手機就搭載了采用這一工藝的Exynos 9825處理器。由于手機版本限制，包括中國在內的大部分地區，都無法見到Exynos 9825背后7nm EUV的真正實力。
根據此前的消息，高通明年的中端定位5G芯片7250將采用三星7nm EUV工藝生產，不過它可能并不是首個接觸全球用戶的7nm EUV芯片。采用臺積電7nm EUV工藝代工的麒麟990 5G，很快就會隨手機正式登場。
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的晶體管數量達到了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產品的媒體和消費者都發現，5G網絡對手機的功耗以及發熱能力有更高的要求，這也是2019年智能手機紛紛用上4000毫安時以上電池并配備更大面積熱管散熱的原因。
EUV帶來的工藝改進，有望成為提升5G時代手機體驗的重要法寶：華為官方的數據顯示麒麟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網絡下，上下行速率分別可達2.3Gbps和1.25Gbps。
頭頂首款臺積電商用7nm EUV芯片光環的麒麟990 5G，會隨著華為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，也會受益于EUV，不過蘋果的策略更為激進，A14將采用5nm EUV工藝進行制造。蘋果向來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題。
如果想要在計算機上見到7nm EUV實現的效能改進，那么可以期待一下AMD計劃在2020年發布的Zen 3架構處理器，這批產品也會采用新工藝制造。在Zen以及Zen 2上，AMD通過架構和制造工藝的雙重改進，實現了處理器性能表現的大幅提升。
作為臺積電近年來的重要客戶之一，AMD一直在積極跟進最新工藝。比起處理器領域頭號玩家英特爾今年來暫停鐘擺戰略，一直在改進14nm工藝遲遲沒能正式進入10nm的尷尬，AMD正在逐步實現彎道超車，讓消費者有了同性能下更便宜的選擇。
至于臺積電多年來的合作伙伴高通，有消息稱驍龍865改投三星代工生產，這款2020年安卓陣營的主力旗艦芯片，會成為三星7nm EUV工藝實力的證明。也有消息表示，下一代驍龍875又會回歸臺積電生產，采用蘋果A14同款5nm EUV工藝。
總結
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用層面的突破。就像是晶體管到集成電路、液晶面板變為現實、鋰電池開始驅動設備一樣，最前沿的產品制造再度跨過了“不可能”的制造難題，并開始影響實際生活。
如果你要問7nm EUV以及未來的5nm EUV等工藝有什么實際作用，我只能像描述過去的工藝進步那樣，告訴你性能、效能都得到了進步。
正是這樣解決了一個又一個問題的進步，才造就了人們生活的變化，沒有從芯片到整機制造的一步步進化，我們將很難想象當今的科技生活。
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