14與16納米晶片差距在哪?為何惹得三星和台積電“你追我趕”
發布時間:2015-06-23 責任編輯:sherry
【導讀】三(san)星(xing)和(he)台(tai)積(ji)電(dian)這(zhe)一(yi)對(dui)冤(yuan)家(jia)近(jin)期(qi)在(zai)半(ban)導(dao)體(ti)製(zhi)程(cheng)上(shang)你(ni)追(zhui)我(wo)趕(gan),進(jin)度(du)不(bu)相(xiang)上(shang)下(xia)。雙(shuang)方(fang)均(jun)想(xiang)憑(ping)借(jie)先(xian)進(jin)的(de)技(ji)術(shu)搶(qiang)得(de)圓(yuan)代(dai)工(gong)中(zhong)的(de)大(da)部(bu)分(fen)訂(ding)單(dan),戰(zhan)爭(zheng)主(zhu)要(yao)爆(bao)發(fa)在(zai)14與16namizhijian。duiwaixinglaishuo,zheliangnamidechajusihubingbuda,qishiburan。zheqizhongdechajuzaina?suoxiaozhichengmianlinzhenaxienanchu?youyounaxieyoushi?xiamiandajiajiusuixiaobianyiqilaikankanba。
納米到底有多細微?
在開始之前,要先了解納米究竟是什麼意思。在數學上,納米是0.000000001公gong尺chi,但dan這zhe是shi個ge相xiang當dang差cha的de例li子zi,畢bi竟jing我wo們men隻zhi看kan得de到dao小xiao數shu點dian後hou有you很hen多duo個ge零ling,卻que沒mei有you實shi際ji的de感gan覺jiao。如ru果guo以yi指zhi甲jia厚hou度du做zuo比bi較jiao的de話hua,或huo許xu會hui比bi較jiao明ming顯xian。
用尺規實際測量的話可以得知指甲的厚度約為0.0001公尺(0.1毫米),也就是說試著把一片指甲的側麵切成10萬條線,每條線就約等同於1納米,由此可略為想像得到1納米是何等的微小了。
知道納米有多小之後,還要理解縮小製程的用意,縮小電晶體的最主要目的,就是可以在更小的晶片中塞入更多的電晶體,讓晶片不會因技術提升而變得更大;其次,可以增加處理器的運算效率;再者,減少體積也可以降低耗電量;最後,晶片體積縮小後,更容易塞入行動裝置中,滿足未來輕薄化的需求。
再回來探究納米製程是什麼,以14納米為例,其製程是指在晶片中,線最小可以做到14納(na)米(mi)的(de)尺(chi)寸(cun),下(xia)圖(tu)為(wei)傳(chuan)統(tong)電(dian)晶(jing)體(ti)的(de)長(chang)相(xiang),以(yi)此(ci)作(zuo)為(wei)例(li)子(zi)。縮(suo)小(xiao)電(dian)晶(jing)體(ti)的(de)最(zui)主(zhu)要(yao)目(mu)的(de)就(jiu)是(shi)為(wei)了(le)要(yao)減(jian)少(shao)耗(hao)電(dian)量(liang),然(ran)而(er)要(yao)縮(suo)小(xiao)哪(na)個(ge)部(bu)分(fen)才(cai)能(neng)達(da)到(dao)這(zhe)個(ge)目(mu)的(de)?圖(tu)1(a)中的L就是我們期望縮小的部分。藉由縮小閘極長度,電流可以用更短的路徑從Drain端到Source端(有興趣的話可以利用Google以MOSFET搜尋,會有更詳細的解釋)。

此外,電腦是以0和1作運算,要如何以電晶體滿足這個目的呢?做法就是判斷電晶體是否有電流流通。當在Gate端(綠色的方塊)做電壓供給,電流就會從Drain端到Source端,如果沒有供給電壓,電流就不會流動,這樣就可以表示1和0。
尺寸縮小有其物理限製
不過,製程並不能無限製的縮小,當我們將電晶體縮小到20納米左右時,就會遇到量子物理中的問題,讓電晶體有漏電的現象,抵銷縮小L時獲得的效益。作為改善方式,就是導入FinFET(Tri-Gate)這個概念,如右上圖。在Intel以前所做的解釋中,可以知道藉由導入這個技術,能減少因物理現象所導致的漏電現象。
更重要的是,藉由這個方法可以增加Gate端和下層的接觸麵積。在傳統的做法中(左上圖),接觸麵隻有一個平麵,但是采用FinFET(Tri-Gate)這個技術後,接觸麵將變成立體,可以輕易的增加接觸麵積,這樣就可以在保持一樣的接觸麵積下讓Source-Drain端變得更小,對縮小尺寸有相當大的幫助。
最後,則是為什麼會有人說各大廠進入10納米製程將麵臨相當嚴峻的挑戰,主因是1顆原子的大小大約為0.1納米,在10納米的情況下,一條線隻有不到100keyuanzi,zaizhizuoshangxiangdangkunnan,erqiezhiyaoyouyigeyuanzidequexian,xiangshizaizhizuoguochengzhongyouyuanzidiaochuhuoshiyouzazhi,jiuhuichanshengbuzhimingdexianxiang,yingxiangchanpindelianglv。
如果無法想像這個難度,可以做個小實驗。在桌上用100個小珠子排成一個10×10的正方形,並且剪裁一張紙蓋在珠子上,接著用小刷子把旁邊的的珠子刷掉,最後使他形成一個10×5的長方形。這樣就可以知道各大廠所麵臨到的困境,以及達成這個目標究竟是多麼艱钜。
隨著技術的成熟,台積電與三星正在加快14與16納米FinFET的量產進程,兩者勢必會在近期內爭奪蘋果iPhoneshoujixinpiandedaigong,liangjiaqiyedeliangxingjingzhengshibihuiweixiaofeizhemendailaigengjiashengdiandetongshigongnengxinggengjiadechanpin,xiwangjinhoudeshichangshangduoyixiezheyangdeliangxingjingzheng。
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