这两年"X纳米制程"这个词大家听的特别多,手机厂商发布会上动不动就说3nm、2nm,新闻里动不动就出来个"1nm晶体管诞生"的标题,很多人看完特别激动,觉得芯片性能马上要翻倍了。但也有不少人有疑问:这个"1nm"到底指什么?跟以前7nm、3nm是一个尺度吗?摩尔定律真的还能继续往前走吗?今天就聊聊制程命名这点事,以及1nm技术背后的真实意义。
首先得戳破一个误区:现在芯片厂商标称的"制程节点数字",早就不是晶体管栅极的真实物理长度了。早年的28nm、40nm,那个数字确实大致对应着栅极长度,多少纳米就是多少纳米。但是到了14nm、10nm以后,各家的制程命名就开始"营销化"了,同样叫7nm,台积电、三星、Intel的实际晶体管密度差不少,说白了就是各家用自己的名字,没有统一的物理标准。所以新闻里说的"1nm晶体管",更多是实验室里做出的一个器件原型,而不是量产的1nm工艺节点,别看到1nm就觉得明年手机能用上1nm芯片了。
为什么我们这么在意晶体管越做越小?因为芯片本质上就是一堆晶体管拼起来的电路,单个晶体管越小,同样面积的晶圆上能放的晶体管越多,芯片性能越强、功耗越低、单位成本越便宜。摩尔定律说的就是每隔18到24个月,同样面积上的晶体管数量翻一倍,过去几十年半导体行业就是靠这个节奏往前走的。但晶体管做到5nm、3nm之后,经典的平面MOSFET结构已经逼近物理极限了,沟道太短就会出现漏电,关都关不住,所以现在的先进制程都改成了FinFET(鳍式场效应管),沟道像个竖立的鱼鳍,栅极三面包裹住沟道,能更好地控制漏电。
那1nm甚至更先进的晶体管,还能怎么做?学术界和工业界有几条路线。第一条是GAA(全环绕栅极,也叫环栅),把沟道做成一根纳米线或者纳米片,栅极从四面八方把沟道围起来,控漏能力比FinFET还强,三星的3nm、台积电的2nm走的就是GAA路线。第二条是用二维材料代替硅,比如过渡金属硫化物(MoS₂这些),它们的载流子输运只发生在几个原子层的厚度里,就算沟道做到1nm以下,理论上也不会像硅那样漏电太严重,很多实验室里做出的"1nm晶体管原型",用的就是二硫化钼这类二维材料做沟道。第三条是CFET(互补场效应晶体管),把NMOS和PMOS一上一下叠起来,靠增加密度而不是缩小单个尺寸来延续摩尔定律。
实验室做成一个1nm晶体管器件,距离大规模量产还有十万八千里。第一个问题是材料和工艺的一致性,实验室里用电子束光刻一颗一颗做器件,成功率10%就能发论文了,但量产要求一整片晶圆几十亿颗晶体管全是好的,良率要在90%以上。第二个问题是成本,先进制程的Fab造价已经到几百亿美元量级了,3nm、2nm的流片费用几百万美元起步,光研发投入就是天文数字。第三个问题是功耗和散热,晶体管密度做到一定程度之后,单位面积的功率密度会高到根本散不出去,也就是所谓的"功率墙",这是比尺寸缩小更难解决的瓶颈。
所以看到"1nm晶体管诞生"这种新闻,理性的解读应该是:学术界又在先进器件上往前推进了一步,给摩尔定律续命的路线图上又多了一条候选路径。它不会立刻变成量产芯片,中间还有材料、工艺、设备、成本、散热、良率这些大山要翻,没有个十年八年是不可能真正走进你我手机里的。但反过来说,正是因为这么多实验室前赴后继地在5nm、3nm、1nm、甚至亚1nm器件上摸爬滚打,我们才能享受到一年比一年强的消费电子产品。摩尔定律的物理极限总会来,但至少现在,工程师们还在一条接一条地给自己铺路。
上一篇:打不过就加入?三大唱片巨头豪掷5亿,入股AI绘图“鼻祖”
下一篇:没有了