5G智能手机SOC芯片为什么都已采用7纳米以下EUV先进制程?

专栏 5G芯科普 新生活

近年来,在5G智能手机通讯芯片领域,全球公开市场的三家企业——高通、联发科、紫光展锐在制程上可谓是“你追我赶”。在高通、联发科以略为领先的优势先后发布了5纳米、4纳米工艺芯片后,紫光展锐于2022年一口气推出三款6nm EUV技术的5G芯片T760\T770\T820,这标志着全球5G智能手机SOC芯片正稳步向7纳米以下先进制程全面进发。

5G智能手机SOC芯片为什么都已采用7纳米以下EUV先进制程?插图

那么,为什么5G智能手机SOC芯片都已采用7纳米以下先进制程技术?在回答这个问题之前,我们先来认识了解纳米和制程这两个名词。

纳米是一个长度单位,即为毫微米,是长度的度量单位,国际单位制符号为nm。1nm有多长呢?1nm=0.000000001米=10^(-9)米。1nm=4个原子大小。而原子是化学反应中最小的微粒,肉眼无法看到。

制程则是芯片领域的一个专有名词。芯片又称集成电路,最开始的芯片是把晶体管、电阻、电阻等集成在一个很小的平板上,然后用很细的线把这些元器件连接起来,实现了最简单的芯片功能。随着芯片技术不断地发展,现在的芯片已经可以集成上百亿的晶体管,实现超级计算功能,目前制造工艺也达到了3nm制程,台积电和三星都在去年宣布实现3nm芯片的量产。所谓制程,是指在晶体管结构中,电流从Source(源极)流入Drain(漏级),而Gate(栅极)相当于闸门,主要负责控制两端源极和漏级的通断。这栅极的最小宽度,即栅长,就是我们说的工艺制程。栅长的具体数值对应的就是工艺制程的数值。

5G智能手机SOC芯片为什么都已采用7纳米以下EUV先进制程?插图11

随着芯片在社会生活中的广泛使用,芯片性能需要变得更为强大,这就需要把越来越多的晶体管放到有限的芯片中。为了实现这一要求,从技术上就得缩小芯片中的栅极。栅极宽度越小,意味着闸门通道越小,那么单位面积所容纳的晶体管就会越多。因此,芯片制造商为了升级芯片性能,就要把栅极宽度做的越窄,也就是纳米级别越小。

在著名的摩尔定律下,原本以为芯片制程到7纳米就达到了极限,这是因为当制程低于7nm时,晶体管非常集中,而且距离非常近,栅极的厚度也接近极限,容易产生量子隧穿效应,这是一种量子特性,是电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象

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因此导致漏电率会大幅增加,如果无法控制漏电率,那么制造工艺将止步于此。芯片制造过程中,光刻机所发出的极紫外光会存在衍射现象,导致光刻栅长并不十分均匀,同时,在制造过程中,离子注入、蚀刻、等离子冲洗、热处理等步骤,也会导致实际栅长不均匀。因此,由于栅长不均匀的问题,就导致行业普遍认为7nm工艺就是芯片的物理极限。

但是人类的探索和能力突破了这一极限,2019年8月,三星发布旗舰芯片Exynos 9825,标志着7nm EUV技术的成功。所谓EUV就是我们中国人心心念念的极紫光外光刻机,该机器目前还是由ASML垄断,全球独此一家,别无分号。而此后智能手机芯片持续向5纳米、4纳米技术演进。

那么纳米越小,芯片就真的越先进吗?这的确如此。

降低了能耗:缩小工艺制程后,晶体管之间的通道变窄,晶体管之间的电容也会变低,从而提升开关的频率。而晶体管开关消耗的电量与电容成正比,因此,电容降低后,开关速度更快、也更省电。此外,工艺更精细的芯片,需要更低的开关电压,也能降低部分能耗;

节约材料:芯片向着更小的工艺尺寸进发,会令组件更小,一片晶圆切割出来的芯片就会更多,进而节约材料,达到降低成本的目的;

满足轻薄设备的需求:缩小工艺尺寸还有一个好处,就是可以在不变大芯片的尺寸前提下,提高芯片能性能,以达到提高手机性能的目的。同时高性能,小尺寸的芯片也有助于制造更轻薄设备,使设备向轻薄型、微小型进军。

现在的智能手机,早就不是传统意义上的手机,准确地说是一部超级智能终端,接入了太多的智能应用,因此,各式任务的叠加和需求,对手机主芯片的要求越来越高,处理速度要快、功耗要低且尺寸要小。因此,5G智能手机SOC芯片向7纳米以下先进制程进发,也是智能手机发展的必然要求。

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此外还有一点要注意的,所有的7纳米以下先进制程芯片,都是由EUV光刻机制造。没有EUV光刻机的加持,先进制程是很难突破的。因此,业内有说法指出:只有采用了EUV技术,才是真正先进的技术。这是在于,EUV光刻机实现了高速、低功耗和高集成的芯片生产工艺,满足了5G高性能、超带宽、低时延和海量连接的需求。从这个角度来说,中国本土厂商紫光展锐6纳米EUV芯片是真正领先的5G通讯芯片。

此外,紫光展锐T760、T770、T820从产品角度和工程角度来说,6nm EUV SOC芯片堪称全球最复杂的芯片类产品。6纳米先进制程意味着要在更小的尺寸上实现更多的性能,同时还要进一步降低功耗,这显示紫光展锐的半导体工艺能力正大幅提升;至于5G极致化的高速率以及超低时延的通讯联接,则说明紫光展锐的通信基带芯片能力大为增强;另外,还有AI技术在芯片中的应用与功能渲染,展示的是紫光展锐强劲的AI技术实力。

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