4nm芯片再现功耗问题 先进制程漏电“魔咒”怎么破 

 

近来，多款选用4nm制程芯片的手机，被用户吐槽存在发热量高和功耗高等方面的问题。据了解，此次涉嫌功耗过热的3款尖端手机芯片，分别是高通骁龙8Gen1、三星Exynos2200、联发科天玑9000，均为现在各厂商高端芯片的代表。一起，天玑9000的生产商是台积电，Exynos2200和骁龙8Gen1的生产商是三星，为排名前两位的芯片代工制造商。

上一年年初，5nm芯片就因发热问题被频频吐槽，如今4nm芯片再度陷入相同的困境：先进工艺制程芯片存在漏电流问题，导致发热量过高，好像已经成为一种“魔咒”，是芯片制程工艺最大的妨碍之一。芯片的制程工艺仍在不断延伸，未来怎么有用破解漏电“魔咒”已经成为整个芯片制造范畴的尽力方向。

短沟道效应带来应战

一般状况下，依据登纳徳缩放比例定律，跟着芯片尺寸的缩小，所需的电压和电流也会下降，因为功耗会受电压和电流的影响，当制程工艺进步、电压和电流随之下降时，其芯片产生的功耗也会下降。台积电表明，与7nm工艺相比，相同功能下5nm工艺的功耗下降30%，相同的功耗下则功能进步了15%。

但是，芯片制程进入5nm时，却频频呈现功耗过高的问题。北京超弦存储器研究院履行副院长、北京航空航天大学兼职博导赵超以为，短沟道效应是构成4nm、5nm等先进工艺呈现功耗问题的主要原因之一，也成为了先进制程发展过程中最大的阻碍。

半导体制造范畴，集成电路的尺寸跟着摩尔定律的发展而继续缩小，沟道长度也相应地缩短，这就导致了沟道管中的S和D（源和漏）的距离越来越短。因而栅极对沟道的操控能力变差，这就意味着栅极电压夹断沟道的难度变大，即产生短沟道效应，然后呈现严重的电流泄露（漏电）现象，最终令芯片的发热和耗电失控。

“5nm、4nm芯片所选用的都是FinFET（鳍式场效应晶体管）结构。FinFET结构在芯片制程进入28nm后，相较于平面MOSFET器材结构，具有更强的栅极操控能力，FinFET结构可通过添加栅极与沟道的触摸面积，来增强对导电沟道的操控。沟道触摸面积的添加，能够从必定程度上缓解短沟道效应，然后将芯片制程继续延伸。但是，跟着芯片制程逐渐发展到5nm及5nm以下，选用FinFET结构先进制程的芯片，也呈现了短沟道效益构成的漏电现象，这也与FinFET本身的结构有关。FinFET所选用的是三面栅的结构，并非四面盘绕式的结构，其间一个方向没有栅极的包裹。跟着芯片制程的不断减小，FinFET三面栅的结构关于漏电的操控能力也在逐渐削弱，构成芯片再次呈现功耗问题。”赵超表明。

怎么破解漏电“魔咒”？

未来芯片制程仍将继续向3nm甚至2nm延伸，人们也在积极考虑怎么处理漏电流所导致的功耗与发热问题，包含替换新资料、选用新架构——GAA（盘绕式栅极）等，以期打破长久以来存在的漏电“魔咒”。

在资料方面，赵超介绍，选用具有高介电常数的栅介质资料代替本来的二氧化硅资料，可有用处理短沟道效应构成栅极漏电的问题。而二氧化铪归于高介电常数的资料，以二氧化铪代替二氧化硅作为栅介质资料，可有用进步介电常数，削减漏电状况，并有用添加电容荷电的能力。

一起，跟着芯片制程的延伸，选用四面环栅结构的GAA技能逐渐遭到更多关注。复旦大学微电子学院副院长周鹏表明，相较于三面围栅的FinFET结构，GAA技能的四面环栅结构能够更好地抑制漏电流的构成以及增大驱动电流，从而更有利于完成功能和功耗之间的有用平衡。因而，GAA技能在5nm之后更小的制程中，更遭到业界的遍及认可和青睐。

但是，无论是新资料，仍是GAA技能，都难以在短时间内处理问题。有研究人员发现，若想在碳纳米管晶体管中运用二氧化铪来代替二氧化硅成为栅极电介质资料也存在困难，二氧化铪相同难以在所需的薄层中构成高介电常数的电介质。

GAA结构完成量产相同困难重重。据了解，近期三星选用GAA结构打造的3nm芯片，良率仅在10%~20%之间。而台积电在其第一代3nm制程中仍将选用FinFET工艺。

“在半导体范畴傍边，任何一种技能的转换或更迭，往往都需要阅历多年的试错和改进。GAA结构虽然在5nm以下的制程中具有较为明显的优势，但其最终能否完成预期的高功能和低功耗，还取决于其制程中所面对的技能难题能否被一一霸占。”周鹏说。

4nm并非噱头

关于此次4nm芯片呈现功耗问题，也有顾客质疑，4nm是否只是一个商业噱头？4nm与5nm技能实则并无太大差异，否则为何高功耗、高发热的问题固不自封？

一般而言，关于芯片工艺的称号数字，是以0.7倍的节奏演进的，例如，14nm工艺之后，完整的工艺迭代应当是10nm（14nm×0.7≈10nm），10nm之后是7nm，7nm之后是5nm。若按此规矩演进，5nm后终究应该是4nm仍是3nm，在四舍五入规矩下好像并不清晰。但在代工厂的约定俗成下，5nm的完整工艺迭代应为3nm。因而，4nm应当归于5nm和3nm的过渡工艺，其角色定位与此前推出的8nm（10nm和7nm的过渡工艺）、6nm（7nm和5nm的过渡工艺）相似。在各代工厂3nm工艺纷繁延后的状况下，4nm呈现的价值好像在于添补这一时间内的市场空白。

但是，这并不意味着4nm工艺等同于5nm。4nm工艺虽然不归于5nm工艺的“完整迭代”，但也是“同代演进”。台积电曾许诺，其最新4nm工艺，比5nm的功能进步11%，能效进步22%。

对此有专家解说，构成4nm工艺芯片呈现功耗问题的要素有许多，难以一概而论。架构、器材等都是影响芯片最终功能的要素。相同被称为4nm工艺芯片，台积电和三星的芯片工艺细节也大为不同。跟着摩尔定律的不断演进，芯片尺寸的缩小幅度已经非常有限，不能成为衡量芯片工艺制程演进的唯一标准。