11年能發(fā)生什么？

　　網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)從天涯論壇、百度貼吧變成微博、抖音；手機(jī)霸主從HTC、諾基亞變成蘋果、三星；大學(xué)新生三件套從床上三件套變成“蘋果三件套”。而這一系列變化的背后離不開芯片的發(fā)展。2011年，人們還在為芯片晶體管規(guī)模創(chuàng)新紀(jì)錄達(dá)39億個(gè)而歡呼，11年后，人們已經(jīng)被高達(dá)1140億個(gè)晶體管的芯片所震撼。

　　即使聽上去如同天方夜譚，但11年，已經(jīng)足夠讓這個(gè)高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)生翻天覆地的變化?？v觀芯片發(fā)展歷史，“極限”兩字可以說是存在于每個(gè)時(shí)代，但無一例外都被一一突破。從22nm工藝節(jié)點(diǎn)推出3D晶體管之后，芯片產(chǎn)業(yè)仿佛打通了任督二脈，F(xiàn)lash、封裝、甚至NAND，都開始走向3D，芯片3D時(shí)代悄然已至。

　　邁出第一步的3D晶體管

　　晶體管是最早實(shí)現(xiàn)3D化的，畢竟按照摩爾定律，晶體管的數(shù)量與芯片性能息息相關(guān)，在平面晶體管時(shí)代，22nm基本就是大家公認(rèn)的極限了，為了突破這個(gè)工藝極限，F(xiàn)inFET晶體管誕生了。

　　FinFET確切的說，是一個(gè)技術(shù)的代稱。世界上第一個(gè)3D三維晶體管是由英特爾在2011年5月宣布研制成功，當(dāng)時(shí)英特爾稱其為 “Tri-Gate”（ 三柵極晶體管）。早在2002年，英特爾就已經(jīng)提出了相關(guān)技術(shù)專利，花了將近10年完善，并在2011年年底用Tri-Gate技術(shù)量產(chǎn)22nm工藝的新一代處理器lvy Bridge，于2012年初正式發(fā)布。雖然叫法不同，但Tri-Gate的本質(zhì)就是FinFET。

　　圖源：英特爾

　　FinFET 晶體管

　　FinFET晶體管又叫鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管，由3D晶體管之父胡正明教授于1999年發(fā)明。相較于平面晶體管，F(xiàn)inFET運(yùn)用立體的結(jié)構(gòu)，對(duì)柵極形狀進(jìn)行改制，閘門被設(shè)計(jì)成類似魚鰭的叉狀3D架構(gòu)，位于電路的兩側(cè)控制電流的接通與斷開，大幅度提升了源極和柵極的接觸面積，減少柵極寬度的同時(shí)降低漏電率，讓晶體管空間利用率大大增加，讓電路更加穩(wěn)定，同時(shí)也達(dá)成了半導(dǎo)體制程持續(xù)微縮的目標(biāo)。

　　而胡正明教授在發(fā)明了FinFET晶體管之后，又投身產(chǎn)業(yè)界，2001~2004年期間擔(dān)任臺(tái)積電CTO。在其任職期間，臺(tái)積電于2002年制造出操作電壓僅0.7伏特的25納米晶體管，命名為“Omega FinFET”。

　　上述提到，英特爾是最先推出商業(yè)化FinFET的企業(yè)，但由于其14nm推遲了整整兩個(gè)季度，因此被臺(tái)積電、三星、格芯等代工廠迎頭趕上。

　　三星方面，2013年1月，新思科技宣布采用三星的14LPE工藝成功實(shí)現(xiàn)了首款測(cè)試芯片的流片。2014年，三星還和格芯聯(lián)合宣布達(dá)成新的戰(zhàn)略合作，將共同為客戶提供14nm FinFET制造工藝。

　　臺(tái)積電則是在2012年10月16日的年度大會(huì)中，宣布制訂了20nm平面、16nmFinFET和2.5D發(fā)展藍(lán)圖，并表示將于2013年11月開始生產(chǎn)16納米FinFETs。在臺(tái)積電宣布前一個(gè)月，格芯已經(jīng)宣布在2014年開始提供23納米FinFET。

　　不過隨著芯片制程的不斷縮小，F(xiàn)inFET晶體管也遇到了發(fā)展瓶頸。臺(tái)積電首席科學(xué)家黃漢森曾表示，在16nm的制程中采用FinFET架構(gòu)，每個(gè)晶體管可以有很多的鰭，但當(dāng)制程逐漸縮小的時(shí)候，鰭的數(shù)量也會(huì)隨之減少。因?yàn)椴豢赡苡?.5個(gè)鰭，所以當(dāng)制程越往下走、空間越來越小的時(shí)候，F(xiàn)inFET最特別的垂直設(shè)計(jì)將會(huì)碰上空間跟技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

　　之前人們都認(rèn)為5nm將是FinFET的極限，但2020年臺(tái)積電打破了這個(gè)瓶頸，其在2020年第一季的法人說明會(huì)上，透露了3nm將繼續(xù)采取FinFET晶體管技術(shù)。而臺(tái)積電3nm也預(yù)計(jì)將于今年下半年出貨。不過，這個(gè)立體結(jié)構(gòu)的微縮也非無極限，3nm似乎真的已經(jīng)是極限了，從當(dāng)前的消息來看，臺(tái)積電到了2nm也將轉(zhuǎn)采其他的技術(shù)，也就是下面要說到的GAA

　　GAA FET 晶體管

　　GAA全稱Gate-All-Around，是一種環(huán)繞式柵極晶體管技術(shù)，被認(rèn)為是FinFET技術(shù)的升級(jí)版。與FinFET的不同之處在于，GAA通過使用納米片設(shè)備制造出了MBC FET（多橋通道場(chǎng)效應(yīng)管），其設(shè)計(jì)通道的四個(gè)面周圍有柵極，減少漏電壓并改善了對(duì)通道的控制，這是縮小工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)的基本步驟。

　　由于GAAFET 晶體管只在先進(jìn)制程中有所采用，所以能參與其中的只有三星、臺(tái)積電、和英特爾三家巨頭。

　　三星自稱在2002 年就對(duì)GAA 保持關(guān)注并投入研究，并于2019年宣布，將在3nm制程世代，改采GAA技術(shù)，作為FinFET之后的接班制程。根據(jù)三星的說法，與7nm制造工藝相比，3nm GAA技術(shù)的邏輯面積效率提高了45%以上，功耗降低了50%，性能提高了約35%。據(jù)悉，搭載此項(xiàng)技術(shù)的首批3nm三星芯片將于今年上半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

　　英特爾方面，2020年年初《Profesionalreview》曾報(bào)導(dǎo)，英特爾在5納米節(jié)點(diǎn)上將會(huì)放棄FinFET電晶體，轉(zhuǎn)向GAA環(huán)繞柵極電晶體。不過從英特爾去年公布的未來五年的芯片制程工藝的技術(shù)路線圖來看，預(yù)計(jì)要在2024年的Intel 20A（相當(dāng)于我們說的2nm）制程上才會(huì)用到RibbonFET即英特爾的GAA技術(shù)。

　　圖源：英特爾

　　對(duì)于臺(tái)積電2nm制程將采用GAA晶體管好像已成產(chǎn)業(yè)內(nèi)默認(rèn)的事實(shí)，不過筆者搜尋資料發(fā)現(xiàn)，臺(tái)積電官方關(guān)于2nm并未給出明確的說法，最初是在2020年7月，據(jù)臺(tái)灣經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)報(bào)道，臺(tái)積電2nm技術(shù)研發(fā)有重大突破，已成功找到路徑，將切入GAA技術(shù)。而在日前2022年第一季度財(cái)報(bào)電話會(huì)議上，雖然臺(tái)積電總裁魏哲家透露2nm計(jì)劃2024年預(yù)生產(chǎn)，2025年投產(chǎn)，但當(dāng)分析師詢問“有關(guān)在 N2 上臺(tái)積電首次使用 GAA FET，逐漸取代 finFET”的問題，魏哲家也是避而不答。

　　不過臺(tái)積電（南京）有限公司總經(jīng)理羅鎮(zhèn)球曾在去年年底透露，臺(tái)積電研發(fā) Nanosheet / Nanowire 的晶體管結(jié)構(gòu)（類似 GAA）超過 15 年，已經(jīng)達(dá)到非常扎實(shí)的性能。

　　臺(tái)積電2nm是否真的采用GAA，或許只能交給時(shí)間來揭開這個(gè)謎底。

　　沖向200層的3D Flash

　　從時(shí)間上看，第一個(gè)3D晶體管和第一代3D NAND閃存芯片推出的時(shí)間相差無幾。2011年，英特爾推出世界上第一個(gè)3D三維晶體管，2012年三星推出第一代3D NAND閃存芯片，也是第一款32層 SLC V-NAND SSD——850 PRO。

　　閃存走向3D也是發(fā)展的必然趨勢(shì)，畢竟這些年，我們的網(wǎng)絡(luò)社交方式從文字到圖片再到視頻，數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，平面 NAND已達(dá)到其產(chǎn)能發(fā)展的極限，再發(fā)展下去只會(huì)影響其性能、耐用性和可靠性。為了能在有限的空間里存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，也為了追求更高的存儲(chǔ)密度，閃存工業(yè)也開始向3D邁進(jìn)。

　　最開始是東芝在2008年開發(fā)了3D NAND結(jié)構(gòu)BICS，4年后，三星在2012年推出了第一代3D NAND閃存芯片，隨后，東芝、西部數(shù)據(jù)、美光等存儲(chǔ)大廠接連跟上，拉開了3D NAND 層數(shù)之戰(zhàn)的序幕。

　　2014-2023年的世界領(lǐng)先存儲(chǔ)公司的閃存路線圖圖源：TechInsights

　　對(duì)于3D NAND，層數(shù)越高，可具有的容量就越大，時(shí)至今日，3D NAND的層數(shù)廝殺已經(jīng)邁入200層。今年2月，有韓媒報(bào)道稱，三星電子將在今年底最晚明年上半年推出超過200層的第八代V NAND產(chǎn)品，采用雙堆棧技術(shù)，預(yù)計(jì)率先推出224層NAND產(chǎn)品，與上一代176層NAND產(chǎn)品相比，第八代V NAND可以將生產(chǎn)力和數(shù)據(jù)傳輸速度提高了30%。有業(yè)內(nèi)人士表示，三星是目前業(yè)內(nèi)僅采用單堆棧技術(shù)實(shí)現(xiàn)128層NAND Flash的廠商，采用雙堆棧技術(shù)的200+層NAND產(chǎn)品也被認(rèn)為是超高技術(shù)領(lǐng)域，技術(shù)挑戰(zhàn)也十分嚴(yán)峻。

　　西部數(shù)據(jù)閃存業(yè)務(wù)部門負(fù)責(zé)人、執(zhí)行副總裁Robert Soderbery在5月投資者活動(dòng)日中公布了其SSD產(chǎn)品路線圖，并預(yù)言3D NAND即將進(jìn)入200+層堆疊，西部數(shù)據(jù)稱其為BiCS+。據(jù)介紹，西部數(shù)據(jù)下一步要推出162層的BiCS6閃存，預(yù)計(jì)2022年底開始量產(chǎn)采用QLC和TLC配置的BiCS6 3D NAND，而176層的NAND也在制造中。此外，西部數(shù)據(jù)技術(shù)路線圖顯示將在2032年達(dá)到500+層堆疊。

　　圖源：西部數(shù)據(jù)

　　美光近日也發(fā)布了業(yè)界首個(gè) 232 層堆棧的 3D NAND Flash芯片，雖然暫時(shí)還沒有公布232層3D NAND閃存芯片的具體參數(shù)，但可以知道采用的是CuA架構(gòu)，初始容量為1Tb（128GB），并預(yù)計(jì)在 2022 年底左右開始量產(chǎn)。美光透露，其正在批量生產(chǎn)176層閃存芯片，而作為第五代3D NAND的此款芯片將在2022年之內(nèi)完成自己的歷史使命。此外，美光還就500層以上閃存制定發(fā)展路線圖，只是尚未披露具體時(shí)間表。

　　圖源：美光

　　相比之下，SK海力士近期在NAND層數(shù)上的新聞并不多，不過早在2020年，SK海力士就已經(jīng)宣布完成了業(yè)內(nèi)首款多堆棧176層4D閃存的研發(fā)。

　　我國(guó)方面，長(zhǎng)江存儲(chǔ)于2018年研發(fā)了32層3D NAND芯片并在年底量產(chǎn)，2019年量產(chǎn)了基于Xtacking架構(gòu)的64層256 Gb TLC 3D NAND閃存。2020年，長(zhǎng)江存儲(chǔ)宣布，其128層QLC 3D閃存（X2-6070）研制成功。而在近期，有業(yè)內(nèi)人士透露，長(zhǎng)江存儲(chǔ)最近已向一些客戶交付了其自主研發(fā)的192層3D NAND閃存的樣品，預(yù)計(jì)將在今年年底前正式推出產(chǎn)品。

　　對(duì)于3D NAND未來發(fā)展，SK 海力士曾預(yù)計(jì) 3D NAND 可以擴(kuò)展到多達(dá) 600 層，從這方面來看，相關(guān)制造工藝的線性推進(jìn)策略還能將持續(xù)數(shù)年。

　　火爆的3D封裝

　　3D封裝在前段時(shí)間也是狠狠火了一把，引爆點(diǎn)在于蘋果在3月9日凌晨推出的M1 Ultral芯片，就是筆者在開頭提到的那個(gè)擁有1140億個(gè)晶體管的芯片，而該芯片采用的就是臺(tái)積電的3D Wafer-on-Wafer封裝技術(shù)。

　　隨著芯片越來越復(fù)雜，芯片面積、良率和復(fù)雜工藝的矛盾難以調(diào)和，3D封裝是發(fā)展的必然趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的封裝相比，3D封裝技術(shù)有望提供更高的芯片連接性和更低的功耗。一般來說，3D封裝就是將一顆原來需要一次性流片的大芯片，改為若干顆小面積的芯片，采用引線鍵合、倒裝芯片或二者混合的組裝工藝，也可采用硅通孔技術(shù)進(jìn)行互連，組裝成一顆大芯片，從而實(shí)現(xiàn)大芯片的功能和性能，而這種小面積的芯片就是Chiplet。

　　從當(dāng)前局勢(shì)來看，各大IDM廠、晶圓代工廠、封測(cè)廠等頭部企業(yè)都已積極布局3D封裝。

　　在晶圓代工廠領(lǐng)域，臺(tái)積電的3D封裝技術(shù)一馬當(dāng)先，早在2008年底臺(tái)積電就成立導(dǎo)線與封裝技術(shù)整合部門，正式進(jìn)軍封裝領(lǐng)域。據(jù)悉，臺(tái)積電的3D封裝工藝主要分為前端芯片堆疊SoIC技術(shù)和后端先進(jìn)封裝CoWoS和InFO技術(shù)。

　　2018年4月臺(tái)積電首度對(duì)外界公布創(chuàng)新的SoIC技術(shù)。作為一種多芯片堆棧技術(shù)，SoIC可分為CoW（Chip on Wafer）和WoW（Wafer on Wafer）兩種鍵合方式。其中，WoW就是將兩層Die以鏡像方式垂直堆疊起來，上述蘋果M1 Ultral芯片以及今年年初Graphcore推出的IPU都采用的這種封裝技術(shù)。

　　在2021年Hot Chips上，臺(tái)積電公布了其SoIC研發(fā)進(jìn)度，在CoW方面正在開發(fā)N7-on-N7和N5-on-N5等；WoW方面，則在開發(fā)Logic-on-DTC，預(yù)計(jì)2022年CoW和WoW將會(huì)實(shí)現(xiàn)基于N5工藝。

　　圖片來源：臺(tái)積電

　　英特爾則是在2018年推出了3D堆疊封裝技術(shù)“Foveros”，第一代 Foveros于2019年在Lakefield芯片中推出。英特爾方面預(yù)計(jì)在2023 年消費(fèi)級(jí)處理器 Meteor Lake上使用其第二代 Foveros 技術(shù)，實(shí)現(xiàn) 36 微米的凸點(diǎn)間距，與第一代相比，連接密度有效地增加了一倍。除了第二代Foveros 技術(shù)外，英特爾預(yù)測(cè)第三代Foveros Omni以及第四代Foveros Direc都將在2023年量產(chǎn)。

　　圖片來源：英特爾

　　三星在2020年8月公布了自家的3D封裝技術(shù)“X-Cube”。據(jù)了解，X-Cube是一種利用垂直電氣連接而不是電線的封裝解決方案，三星在 7nm制程的測(cè)試過程中，成功利用 TSV 技術(shù)將SRAM 堆疊在邏輯芯片頂部，從而釋放了空間以將更多的內(nèi)存封裝到更小的占位空間中。三星表示，這項(xiàng)技術(shù)將用于 5G、AI、AR、HPC(高性能計(jì)算)、移動(dòng)和 VR 等領(lǐng)域。

　　中國(guó)大陸封測(cè)廠在3D封裝技術(shù)領(lǐng)域也是頻頻發(fā)力。比如長(zhǎng)電科技在五年7月推出了面向3D封裝的XDFOI全系列極高密度扇出型封裝解決方案，該技術(shù)所運(yùn)用的極窄節(jié)距凸塊互聯(lián)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)44mm×44mm的封裝尺寸，預(yù)計(jì)于2022年下半年完成產(chǎn)品驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。而通富微電南通通富工廠則是在去年8月搬入2.5D/3D生產(chǎn)線首臺(tái)設(shè)備——化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備（CMP），標(biāo)志著該生產(chǎn)線全面進(jìn)入設(shè)備安裝調(diào)試和工程驗(yàn)證階段。

　　此外，華為最近也有一項(xiàng)芯片堆疊封裝專利曝光，在日前的分析師大會(huì)上，華為常務(wù)董事、ICT基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)管理委員會(huì)主任汪濤指出，華為正嘗試用堆疊芯片的相關(guān)技術(shù)，用不那么先進(jìn)的芯片工藝也可以讓華為的產(chǎn)品更有競(jìng)爭(zhēng)力。

　　指日可待的3D DRAM

　　雖然與3D NAND同屬于存儲(chǔ)領(lǐng)域，但DRAM更多得是比拼工藝節(jié)點(diǎn)，制造工藝從 1x nm 緩慢推進(jìn)到 1y、1z、1-alpha 和 1-beta，為此像三星、SK海力士和美光這三大DRAM廠商都已經(jīng)擁抱了EUV技術(shù)，相比之下，3D進(jìn)程就慢了很多，至今未有產(chǎn)品面市。

　　目前DRAM制造商仍在通過降低技術(shù)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)來提高存儲(chǔ)單元的密度，并且通過向 EUV 掃描儀的過渡可以繼續(xù)維持一段時(shí)間的平面技術(shù)，但這種資源也將很快耗盡，而對(duì)內(nèi)存的需求卻仍在攀升。由此來看，單元垂直排列，增加DRAM 體積才是未來趨勢(shì)。

　　左邊是傳統(tǒng)的平面DRAM陣列，右邊是垂直排列的單元（灰色長(zhǎng)管是電容器）。圖片來源：Monolithic3D

　　瑞銀投資銀行全球研究部也指出，對(duì)于DRAM，使用EUV只能應(yīng)對(duì)部分挑戰(zhàn)，無法解決所有難題。采用3D DRAM是更有希望的解決方案，能縮小DRAM存儲(chǔ)元件尺寸，從而提高密度。為此，瑞銀投資銀行全球研究部預(yù)計(jì) 3D DRAM最早可能于2027年開始初期生產(chǎn)到2028到29年開始實(shí)質(zhì)性量產(chǎn)。

　　目前，幾家存儲(chǔ)大廠也開始逐漸向3D DRAM邁進(jìn)。今年年初，BusinessKorea 報(bào)道稱，三星電子正在加速 3D DRAM 的研發(fā)，已經(jīng)開始加強(qiáng)招聘人員等相關(guān)團(tuán)隊(duì)建設(shè)。

　　此外，美光科技和 SK 海力士也在考慮開發(fā)3D DRAM。美光提交了與三星電子不同的 3D DRAM 專利申請(qǐng)，希望能在不放置單元的情況下改變晶體管和電容器的形狀。也有日本媒體報(bào)道稱，華為將在6月份舉行的 VLSI Symposium 2022上發(fā)表其與中科院微電子研究所合作開發(fā)的 3D DRAM 技術(shù)。Applied Materials和Lam Research等全球半導(dǎo)體設(shè)備制造商也在開發(fā)與3D DRAM相關(guān)的解決方案。

　　不過，由于開發(fā)新材料的困難和物理限制，3D DRAM 的商業(yè)化還需要一些時(shí)間，業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，3D DRAM 將在 2025 年左右開始問世，雖然與瑞銀投資銀行全球研究部預(yù)計(jì)的時(shí)間有所出入，但不難看出，未來DRAM或許也將迎來3D DRAM的天下。

　　寫在最后

　　每個(gè)時(shí)代有每個(gè)時(shí)代發(fā)展的瓶頸，但同時(shí)也有他們的破解之道。在芯片3D化過程中出現(xiàn)了很多新技術(shù)，這些新技術(shù)在打破平面技術(shù)發(fā)展極限的同時(shí)，也創(chuàng)造出新的難題、新的挑戰(zhàn)，未來芯片競(jìng)爭(zhēng)只會(huì)越來越激烈。但“芯片有夢(mèng)，技無止境”。