最近,三星以及臺(tái)積電在先進(jìn)半導(dǎo)體制程打得相當(dāng)火熱,彼此都想要在晶圓代工中搶得先機(jī)以爭(zhēng)取訂單,幾乎成了 14 奈米與 16 奈米之爭(zhēng),然而 14 奈米與 16 奈米這兩個(gè)數(shù)字的究竟意義為何,指的又是哪個(gè)部位?而在縮小制程后又將來帶來什么好處與難題?以下我們將就奈米制程做簡(jiǎn)單的說明。
奈米到底有多細(xì)微?
在開始之前,要先了解奈米究竟是什么意思。在數(shù)學(xué)上,奈米是 0.000000001 公尺,但這是個(gè)相當(dāng)差的例子,畢竟我們只看得到小數(shù)點(diǎn)后有很多個(gè)零,卻沒有實(shí)際的感覺。如果以指甲厚度做比較的話,或許會(huì)比較明顯。
用尺規(guī)實(shí)際測(cè)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(cè)面切成 10 萬條線,每條線就約等同于 1 奈米,由此可略為想像得到 1 奈米是何等的微小了。
知道奈米有多小之后,還要理解縮小制程的用意,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(huì)因技術(shù)提升而變得更大;其次,可以增加處理器的運(yùn)算效率;再者,減少體積也可以降低耗電量;最后,晶片體積縮小后,更容易塞入行動(dòng)裝置中,滿足未來輕薄化的需求。
再回來探究奈米制程是什么,以 14 奈米為例,其制程是指在晶片中,線最小可以做到 14 奈米的尺寸,下圖為傳統(tǒng)電晶體的長(zhǎng)相,以此作為例子??s小電晶體的最主要目的就是為了要減少耗電量,然而要縮小哪個(gè)部分才能達(dá)到這個(gè)目的?左下圖中的 L 就是我們期望縮小的部分。藉由縮小閘極長(zhǎng)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(huì)有更詳細(xì)的解釋)
此外,電腦是以 0 和 1 作運(yùn)算,要如何以電晶體滿足這個(gè)目的呢?做法就是判斷電晶體是否有電流流通。當(dāng)在 Gate 端(綠色的方塊)做電壓供給,電流就會(huì)從 Drain 端到 Source 端,如果沒有供給電壓,電流就不會(huì)流動(dòng),這樣就可以表示 1 和 0。(至于為什么要用 0 和 1 作判斷,有興趣的話可以去查布林代數(shù),我們是使用這個(gè)方法作成電腦的)
尺寸縮小有其物理限制
不過,制程并不能無限制的縮小,當(dāng)我們將電晶體縮小到 20 奈米左右時(shí),就會(huì)遇到量子物理中的問題,讓電晶體有漏電的現(xiàn)象,抵銷縮小 L 時(shí)獲得的效益。作為改善方式,就是導(dǎo)入 FinFET(Tri-Gate)這個(gè)概念,如右上圖。在 Intel 以前所做的解釋中,可以知道藉由導(dǎo)入這個(gè)技術(shù),能減少因物理現(xiàn)象所導(dǎo)致的漏電現(xiàn)象。
更重要的是,藉由這個(gè)方法可以增加 Gate 端和下層的接觸面積。在傳統(tǒng)的做法中(左上圖),接觸面只有一個(gè)平面,但是采用 FinFET(Tri-Gate)這個(gè)技術(shù)后,接觸面將變成立體,可以輕易的增加接觸面積,這樣就可以在保持一樣的接觸面積下讓 Source-Drain 端變得更小,對(duì)縮小尺寸有相當(dāng)大的幫助。
最后,則是為什么會(huì)有人說各大廠進(jìn)入 10 奈米制程將面臨相當(dāng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),主因是 1 顆原子的大小大約為 0.1 奈米,在 10 奈米的情況下,一條線只有不到 100 顆原子,在制作上相當(dāng)困難,而且只要有一個(gè)原子的缺陷,像是在制作過程中有原子掉出或是有雜質(zhì),就會(huì)產(chǎn)生不知名的現(xiàn)象,影響產(chǎn)品的良率。
如果無法想像這個(gè)難度,可以做個(gè)小實(shí)驗(yàn)。在桌上用 100 個(gè)小珠子排成一個(gè) 10×10 的正方形,并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,最后使他形成一個(gè) 10×5 的長(zhǎng)方形。這樣就可以知道各大廠所面臨到的困境,以及達(dá)成這個(gè)目標(biāo)究竟是多么艱鉅。
隨著三星以及臺(tái)積電在近期將完成 14 奈米、16 奈米 FinFET 的量產(chǎn),兩者都想爭(zhēng)奪 Apple 下一代的 iPhone 晶片代工,我們將看到相當(dāng)精彩的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng),同時(shí)也將獲得更加省電、輕薄的手機(jī),要感謝摩爾定律所帶來的好處呢。