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高端芯片设计

10nm芯片后 “芯”的战争还得这样继续下去

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12月7日 ,接纳三星10nm工艺制造的高通骁龙835跑分遭到曝光。就在一天后 ,即2016年12月8日 ,接纳台积电10nm工艺制造的华为麒麟970也遭到媒体曝光。此前 ,英特尔宣称 ,将于2017年宣布接纳自家10nm工艺制造的移动芯片 ,格罗方德也声称自研10nm工艺。

  四家芯片巨头纷纷进入10nm芯片领域 ,预示着芯片界的竞争水平提升到新品级。那么 ,芯片界的这场“战争”会结束吗 ,芯片的未来又在哪里呢?

  芯片集成度仍将连续提高

  1995年起 ,芯片制造工艺从0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.15μm、0.13μm ,生长到90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、14nm ,再到即将到来的10nm ,芯片的制程工艺不绝生长 ,集成度不绝提高 ,这一趋势还将连续下去。

  2016年12月8日 ,台积电声称 ,将在2017年初开始7nm的设计定案 ,并在2018年初量产 ,对5nm、3nm和2nm工艺的相关投资事情也已开始。此前 ,三星购置了ASML的NXE3400光刻机 ,为生产7nm芯片作准备 ,并计划在2018年上半年实现量产。

  虽然在硅晶体管的尺寸缩小到一定水平时会爆发量子效应 ,导致晶体管的特性难以控制。不过 ,短期内 ,缩减制程尺寸 ,提高芯片集成度仍是芯片厂商推动芯片向前生长的偏向 ,7nm、5nm、3nm、2nm工艺将一步步加剧芯片厂商之间的竞争。

  新技术将获得应用

  除了FinFIT技术外 ,三星、英特尔等芯片厂商近些年纷纷投入到FD-SOI(全耗尽绝缘体硅)工艺、硅光子技术、3D堆叠技术等的研究中 ,以求突破FinFET的制造极限 ,拥有更多的主动权。种种新技术中 ,犹以3D堆叠技术为研究重点。

  3D堆叠技术通过在存储层上叠加逻辑层 ,将芯片的结构由平面型升级建立体型 ,大大缩短互连线长度 ,使得数据传输更快 ,所受滋扰更小。

  目前 ,这样的3D技术在理论层面已有较大进展 ,并在实践中获得开端应用。2013年 ,三星推出了3D圆柱形电荷捕获型栅极存储单位结构技术 ,笔直堆叠可达24层。同年 ,台积电与Cadence相助开发出了3D-IC的参考流程。2015年 ,英特尔和美光相助推出了3D XPoint技术 ,使用该技术的存储芯片目前已经量产。

  新技术的降生 ,为当下芯片开辟了全新的生长领域 ,这也势必加剧芯片厂商的竞争水平。

  新质料将进入芯片领域

  目前 ,制造芯片的原质料以硅为主。不过 ,硅的物理特性限制了芯片的生长空间。2015年4月 ,英特尔宣布 ,在抵达7nm工艺之后将不再使用硅质料。

  III-V族化合物、石墨烯等新质料为突破硅基芯片的瓶颈提供了可能 ,成为众多芯片企业研究的焦点 ,尤其是石墨烯。

  相比硅基芯片 ,石墨烯芯片拥有极高的载流子速度、优异的等比缩小特性等优势。IBM体现 ,石墨烯中的电子迁移速度是硅质料的10倍 ,石墨烯芯片的主频在理论上可达300GHz ,而散热量和功耗却远低于硅基芯片。麻省理工学院的研究发明 ,石墨烯可使芯片的运行速率提升百万倍。

  制约石墨烯芯片的最大因素是石墨烯的本钱问题 ,不过随着制作工艺已逐渐成熟 ,石墨烯的本钱呈下降趋势 ,石墨烯芯片量产的日子也不会太远。2011年底 ,宁波墨西科技建成年产300吨的石墨烯生产线 ,每克石墨烯销售价格只要1元。2016年4月 ,华讯方舟做出了石墨烯太赫兹芯片。

  新质料为芯片的生长提供了全新的偏向 ,具有极大的潜力 ,已成为芯片厂商把控未来趋势、占领制高点的必争领域 ,而这也将使得芯片厂商之间的竞争日益庞大。

  从芯片降生至今 ,芯片领域的立异从未停止 ,各厂商之间的竞争也从未停歇。应变硅技术成绩了90nm时代 ,一种栅介质新质料成绩了45nm时代 ,三栅极晶体管成绩了22nm时代 ,FinFET技术成绩了当下的芯片时代。

  未来 , 3D堆叠等新技术、石墨烯等新质料将连续推动芯片领域的立异与生长 ,芯片厂商之间的竞争领域也将延伸 ,从智能手机扩展到互联网汽车、VR、人工智能等 ,竞争将日趋庞大和猛烈。人类对科学无尽的探索 ,将使得芯片行业的这场“战争”继续下去。


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