巨頭混戰(zhàn)制程爭霸賽，芯片真的越小越好嗎？

芯師爺|Core master|

2022-03-10 11:26:06 9

先是老牌芯片制造商IBM宣布研發(fā)出2nm芯片，緊接著臺積電宣布重大成果：發(fā)現二維材料結合半金屬鉍（Bi）能達到極低的電阻，接近量子極限，可以滿足1nm制程的需求。

6cefb80eaf7665bdb1b0206e4635d88b

IBM的2納米晶圓

為何芯片巨頭們都在追求更小制程的芯片？芯片真的越小越好嗎？更小制程的芯片除了提升手機性能外，對于我們普通人來說還有哪些應用場景？

云岫資本合伙人兼首席技術官趙占祥認為，巨頭追求更小工藝制程的原因有很多，“*，可大幅提高晶體管的密度；第二，會帶來性能的大幅提升——以CPU為例，一個工藝的演進就是50%的性能進步，Intel在制程上的落后在一段時間內限制了他的性能提升；第三，可以帶來更低的功耗，這在移動設備和數據中心中的需求更高，對數據中心而言，每TOPS/W的功耗優(yōu)化，可以帶來近百美金的用電、運維成本降低。”

另外，需求驅動。“目前主要驅動力是在手機CPU、平板電腦CPU、個人電腦或服務器CPU、GPU芯片、各種AI芯片，還有FPGA芯片，包括一部分虛擬貨幣礦機芯片等，主要是追求更高的數據處理能力，或者說是芯片更高集成度的應用場景上。”中科創(chuàng)星董事總經理盧小保認為。

但芯片制程并不能無限小下去。

AMD*數字芯片設計工程師溫戈表示，目前的3nm已基本接近工藝極限。“在制程達到7nm以下之后，短溝道效應和量子遂穿效應會越來越明顯，這將對工藝帶來極大的挑戰(zhàn)。另外硅原子的直徑在0.117nm左右，1nm的溝道長度也就不到9個原子的寬度，從物理層面來講，這是很難實現的。”

另外，“隨著柵極尺寸的縮小，柵極控制電流的能力下降，漏電加劇從而會導致芯片失效。”南京大學物理學博士喬通補充。

而更小制程的芯片，“未來AI和自動駕駛等場景可能會受益。但在手機端，可以說并未出現新的應用場景，甚至當前的處理器性能對手機來說，已經是過剩的”。溫戈認為。

本文記錄業(yè)內人士針對本話題的討論。以下是精華內容摘錄：

0 1
追求更小制程，可以提升性能，降低功耗

@趙占祥云岫資本合伙人兼CTO

芯片制程一般意義上是柵極的最小線寬，而柵極的寬度決定了電流通過時的損耗，表現出來就是手機常見的發(fā)熱和功耗，寬度越窄，功耗越低。但是目前隨著先進制程的發(fā)展，5nm、3nm已經不再代表柵極的最小線寬，而是等效長度。

6fd4b5988fab26f3e67815fd61f93f1f

圖片源于網絡

巨頭追求更小工藝制程的原因有很多：*，可大幅提高晶體管的密度；第二，會帶來性能的大幅提升——以CPU為例，一個工藝的演進就是50%的性能進步，Intel在制程上的落后在一段時間內限制了他的性能提升；第三，可以帶來更低的功耗，這在移動設備和數據中心中的需求更高，對數據中心而言，每TOPS/W的功耗優(yōu)化，可以帶來近百美金的用電、運維成本降低。

bedc713462f2e6433beceb734f8fd8aa

圖片源于網絡

但是另一方面，隨著工藝制程不斷逼近物理極限，單從芯片自身成本來看，曾經工藝制程進步帶來的成本大幅度優(yōu)化已經不顯著了，目前主要是材料和結構、設備等需求導致了制造成本的飆升。

@盧小保中科創(chuàng)星董事總經理

目前在持續(xù)推進半導體先進工藝的主要是一些國際巨頭，如TSMC、Intel、Samsung等。

半導體制造工藝的迭代主要是由摩爾定理驅動發(fā)展的，即：集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月便會增加一倍。摩爾定理的存在，意味著同樣的性能的芯片產品，每18個月價格就會下降50%，或者說同樣價格的集成電路產品每18個月性能就會提升100%。

摩爾定理是由產業(yè)巨頭主導的產業(yè)發(fā)展規(guī)劃，驅動和促使整個產業(yè)上下游鏈條各環(huán)節(jié)所有企業(yè)按照同樣的節(jié)奏去發(fā)展協(xié)同，每個環(huán)節(jié)既不要太快、也不要太慢。某種程度上，摩爾定理協(xié)調了整個集成電路產業(yè)的發(fā)展節(jié)奏，可以說是半導體產業(yè)的“五十年規(guī)劃”。

但集成電路產業(yè)經過五十多年的發(fā)展，摩爾定理已經式微，雖然先進工藝仍在幾乎沿著摩爾定理的規(guī)劃持續(xù)進步，但其技術復雜度越來越難，實現成本也越來越高，能夠承擔高昂研發(fā)和制造成本的芯片產品越來越少。

目前主要是對性能提升非常敏感的手機CPU、平板CPU、個人電腦CPU、GPU等，或者是對算力需求持續(xù)提升的場景如各種AI芯片、礦機芯片等，在這些場景里面，先進工藝帶來的芯片性能提升仍然足以抵消芯片研發(fā)成本的大幅增加。

但是越來越多的應用場景、越來越多的芯片種類，在達到性能的閾值點后，持續(xù)提升集成度已經意義不大。采用先進工藝，一次性研發(fā)和生產投入負擔太重，反而采用成熟工藝如28nm、40nm、55nm等，甚至是8寸工藝，性價比會更高，比如TWS耳機芯片、手表芯片，各種車載芯片、各種家電芯片，物聯(lián)網芯片等。

另外，由于先進工藝研發(fā)和制造成本的快速增加，通過芯片制造提升芯片性能/集成度的代價上升太快，投入產出比越來越小，但需求端仍有持續(xù)提升性能/集成度的要求。

在這個矛盾下，也迫使產業(yè)界另辟蹊徑，開始思考通過其它的技術方式，如封裝技術提升芯片性能/集成度，chiplet技術也因此開始快速推進應用。通過chiplet技術，使用10nm工藝制造出來的芯片，完全也可以達到7nm芯片的集成度，但是研發(fā)投入和一次性生產投入則比7nm芯片的投入要少的多。

0 2
3nm芯片，已經接近工藝極限

@溫戈 AMD*數字芯片設計工程師

要說芯片制程命名，那肯定是臺積電玩的最溜。

3db74866ddd42d86f66606a1891ca452

上圖就是英特爾14nm和臺積電10nm的晶體管柵格寬度對比，事實上并沒有差太多。

5nm、3nm工藝中的nm，指的是晶體管導電溝道的長度，通常也認為是晶體管的柵極寬度。

在整個芯片電路中，晶體管的柵極是最窄的線條。如果柵極寬度為3nm，則將其稱為3nm工藝制程。

目前的3nm工藝下，基本已經接進工藝極限。在FinFET晶體管時代，即22nm以下，工藝制程已經不是真正的溝道長度，而是根據晶體管密度和芯片面積算出的等效工藝制程。

就硅基芯片來看，制程是沒辦法一直小下去的，在制程達到7nm以下之后，短溝道效應和量子遂穿效應會越來越明顯，這將對工藝帶來極大的挑戰(zhàn)。另外硅原子的直徑在0.117nm左右，1nm的溝道長度也就不到9個原子的寬度，從物理層面來講，這是很難實現的。

在5nm及以下，制程更小的芯片投入產出比越來越低，非常不合理。如果不是寡頭通吃，那么臺積電一定是虧損的。

@喬通南京大學物理學博士

隨著半導體工藝技術的進步，芯片的尺寸越來越小，已經進入10nm以下時代。

原本芯片的納米數指的是晶體管柵極的長度，代表芯片制造工藝的水平，但目前最先進的5nm、3nm只是工藝代號，已經不再是柵極的物理長度了。

因為隨著柵極尺寸的縮小，柵極控制電流的能力下降，漏電加劇從而導致芯片失效。除此之外，尺寸縮小到一定程度更是會出現量子效應，這也是制約芯片無限制縮小下去的原因。

但是采用了更先進制程工藝的芯片性能更強、功耗更低，所以科技巨頭比如華為、蘋果等都在孜孜不倦地追求更小尺寸的芯片。

目前芯片的縮小化存在兩大難題：一是制造工藝愈發(fā)復雜化，二是成本越來越高。芯片尺寸的縮小導致工藝步驟大大增加，成本也持續(xù)上升，所以負擔得起的公司也越來越少。

隨著5G、AI、智能電動汽車等產業(yè)的蓬勃發(fā)展，產業(yè)界對先進制程工藝芯片的需求也在持續(xù)提高，預計未來越來越多的公司會平衡芯片尺寸與芯片成本，選擇適合自己的工藝。

9ae084641a3edc6dfc12a20102e0033d

0 3
未來應用場景：AI、挖礦、自動駕駛

@盧小保中科創(chuàng)星董事總經理

先進制程如7nm、5nm工藝目前主要應用的驅動力是在手機CPU、平板電腦CPU、個人電腦或服務器CPU、GPU芯片、各種AI芯片，還有FPGA芯片，包括一部分虛擬貨幣礦機芯片等，主要是追求更高的數據處理能力，或者說是芯片更高集成度的應用場景上。

其中典型的消費類應用主要是手機、平板電腦、PC等。

其它消費類應用如TWS耳機、手表、手環(huán)等數碼產品的CPU芯片，基本上以28nm、22nm為主流工藝平臺進行生產，相關產品應用到的其它芯片如通信、存儲、傳感器、電源等，則以28nm、40nm、65nm等各種成熟工藝，甚至傳感器、電源應用的都是8寸工藝。

@溫戈 AMD*數字芯片設計工程師

以目前的情況來看，制程的提升會帶來更高的性能，未來AI和自動駕駛等場景可能會受益。在手機端，可以說并出現新的應用場景，甚至當前的處理器性能對手機來說已經是過剩的。

免責聲明：本文轉載自“芯師爺”，本文僅代表作者個人觀點，不代表薩科微及行業(yè)觀點，只為轉載與分享，支持保護知識產權，轉載請注明原出處及作者，如有侵權請聯(lián)系我們刪除。

公司電話：+86-0755-83044319
傳真/FAX：+86-0755-83975897
郵箱：1615456225@qq.com
QQ：3518641314 李經理

QQ：202974035 陳經理

地址：深圳市龍華新區(qū)民治大道1079號展滔科技大廈C座809室

上一篇：: 各國爭相補貼，臺積電“眾籌”辦廠？

下一篇：: 中國IGBT雙雄的進擊之路

巨頭混戰(zhàn)制程爭霸賽，芯片真的越小越好嗎？

客服QQ2635709730

客服QQ
2635709730