蘋果A14的5nm工藝過後又將是什麼?或快到晶片性能極限時代!

2020-12-03 騰訊網

隨著iPhone12的到來，蘋果的最先進5nm工藝晶片為新一代iPhone系列電子產品帶來了強勁動力。那麼下代的A15,A16又將採用3nm甚至1nm工藝技術嗎？會不會因為極小尺寸的量子效應而到達物理技術極限呢？接下來我們便來討論一下這個問題。

提到晶片的更新換代，首先想到的是摩爾定律。什麼是摩爾定律？它又有什麼意義？簡單來說它是上個世紀英特爾創始人之一的摩爾提出的一個規律，便是每隔18~24個月晶片的性能將比之前提升一倍以上。經歷了半導體工業數十年的發展，摩爾定律的規則使得手機，電腦等電子設備的性能不斷提升，網際網路的資源效率不斷加強。這也是為什麼你的手機必須不斷更新換代才能適應新的系統以及應用。

可是，不知道大家有沒有感覺到，最近幾年裡面新手機和舊手機的性能差距似乎正在減小，而且製程的代差越來越小，晶片廠的「牙膏」也是越擠越少。高通的似乎打算將7nm製程從驍龍865延續到後面幾代；全球最大的晶片製造企業臺積電和三星電子也才剛剛宣布5nm製程或者3nm製程能夠實現生產並提上了日程。

晶片製程是啥？這裡還是給大家解釋一下：製程就是晶片的線路寬度，俗稱線寬，是最簡單直接衡量晶片性能的指標。同樣大小的晶片，裡面的線路結構越小，含有的電晶體就越多，晶片性能就越強。製程用的是納米單位，1nm約等於你頭髮絲的五萬分之一，也就幾個原子的並列長度。晶片製程經歷了從幾百納米突然到幾十納米的跨度，再到幾十納米到幾納米的跨度；而現在，卻只能按照個位數的製程一點一點的縮小，就像現在的7nm到幾年後的5nm，3nm一樣。為什麼晶片結構縮小得越來越緩慢，甚至人們認為摩爾定律已然到了極限，性能的提升將越發的困難以及不明顯呢？

當然，你可別以為原因是ASML研發了十多年燒掉幾百億美金的極紫外光光刻機不行了（EUV光刻機理論上可以製造1nm左右的晶片製程），最主要的原因是隨著晶片的縮小，一個叫量子隧道效應的定律，便展示出了它越來越強大的存在感。這裡還得先解釋一下晶片的結構：晶片說白了是由幾十億個一樣的納米開關（場效應電晶體）組成，而這個開關便字如其意：控制著電流的流通與關閉。就好比你的手電筒，你打開它就亮了，關閉它就不亮。

只不過晶片的電流不是控制燈泡發光，而是記錄這個狀態，通過無數公裡長的線路連接著幾十億的開關實現數字邏輯運算。這下你便明白晶片裡面的這個開關大小有多麼重要了吧。肯定開關越小，晶片裝的開關數量就越多嘛，玩王者榮耀就越絲滑嘛。

那這個量子隧道效應是啥？在晶片上，用科學術語來講就是電子隧穿現象，俗稱漏電。電流將不受控制地通過開關，哪怕開關本身沒有壞。許多電流會偷偷地溜過去，造成晶片計算錯誤。這時，原來的結構將越來越難控制電流，我們必須用更強力的開關來實現對電流的控制。這裡還得提一下在此之前發生的一件事，那就是本世紀之初英特爾認為，摩爾定律漸漸失效了，到45納米幾乎已經是盡頭了。

可是，一個叫胡正明的人提出了一個全新的技術工藝結構:FINfet的電晶體。中文全稱叫做鰭式場效應電晶體。這玩意兒是啥？為啥突破了技術壁壘？別急，先打個比方。

以前的晶片的開關結構其實是這樣的：電流好比水管中的水，而這個開關僅僅是在水管上方一個方向壓著水管，可是水管壓不住，因為總有調皮的水偷偷溜過去。隨著水管的縮小，在量子力學看來，將會漏過去更多的水，就算你上方的壓力不變。於是，胡正明教授便將水管改變形狀，將受力結構從上方變成了同時包含兩邊的結構，擁有了三個方向的力量，這時，同樣的力就能幾乎完全控制水流了，實現開關的關閉功能。

這就是FINfet電晶體的基本技術原理。在很長一段時間裡面，正是使用這種技術的場效應電晶體，才能使得變得越來越小的電晶體量子遂穿漏電現象減弱。

那麼，到今後幾年內的電晶體還能繼續保持這種開關技術嗎？答案是肯定的。但你也許會說：「等等，之前不是三個方向的力嗎？那麼下邊的地方是不是也可以加一個呢？」。沒錯，這正是臺積電目前最前沿的3nm製程工藝技術：GAA環繞電晶體工藝技術，也將是蘋果A14,A15,A16處理器用的技術。它就是像用手一樣把水管從各個方向捏緊，更強力地控制了電流。也就是說，多年來FINfet技術的結構其實只不過是拓展完善，已經用了十多年了。這十多年裡面，能製造出更先進的晶片也是得益於此。

臺積電後面的製程，也許是1nm。這需要更新型的材料比如高k電介質材料，來容納更多的電子實現更強的場強來約束電流，使得場效應電晶體更能夠克服漏電問題。那麼我們未來幾十年裡面用什麼，電晶體大小可不可以縮小到1nm？我相信可以縮小到1nm，但是縱使是用了這個技術，依然還會導致越來越嚴重的漏電現象。我們對電流的控制將十分困難。製造工藝不是問題，問題是我們目前沒有更先進的方案能夠繼續更好的控制開關電流了嗎？

當然不是，1nm只是矽基工藝材料的極限，我們可以不使用矽來製造晶片，比如碳納米管等新材料；當然也可以使用3D堆疊技術，使得晶片的開關層（電晶體層，目前絕大部分晶片裡面的電晶體均全部在底層，上部分和中間是連結線路）並不只是在底層，而在中間，頂部都能加入開關層，同時在一塊晶片裡面集成除CPU功能之外更多功能的晶片。臺積電目前也應用的3D堆疊工藝，將在未來不久實現量產。

這些在不久的將來將會是開始挑戰技術巔峰甚至是技術顛覆的時刻。況且未來還有量子晶片等著我們去發力呢。所以，我們的晶片性能絕對不可因為到達1nm工藝就迎來了極限，因為總是有關鍵的人能夠想到從未有過的技術發明，實現時代的變化與革新。

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