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布局5nm，量产7nm、10nm！2020年半导体制造工艺技术前瞻

百家作者：微型计算机 2020-03-26 21:16:15

晶体管制造工艺在近年来发展得不是非常顺利，行业巨头英特尔的主流产品长期停滞在14nm上，10nm工艺性能也迟迟得不到改善。台积电、三星等巨头虽然在积极推进7nm乃至5nm工艺，但是其频率和性能表现依旧存在较大的改进空间。从2019年底到2020年初，业内也召开了多次与半导体制造业相关的行业会议，对2020年和以后的半导体工艺进展速度和方向进行了一些预判。今天本文就综合各大会议的消息和厂商披露内容，对2020年半导体工艺制程相关内容进行汇总，以帮助大家了解未来半导体产业发展的脉络。

半导体工艺制造工艺是制约半导体产业发展的决定性因素之一。从2015年甚至更早时间开始，业内人士就开始对摩尔定律失效、半导体工艺制程发展速度放缓提出了担忧。虽然在商业宣传中，很多厂商依旧在快速迭代着不同代次的制程，但实际上，抛开商业宣传因素，半导体工艺制程的发展速度依旧比之前慢了不少。比如目前市场上大部分GPU和CPU产品依旧在使用五年前的14nm工艺或者其改进版本。新的10nm、7nm工艺虽然已经上市，但是综合频率、功耗、晶体管密度等因素来看，其表现依旧不能令人满意。进入2020年，也就是21世纪20年代的第一年，半导体工艺制程发展的状况又会如何变化呢？是否会带来一些新的进展呢？

英特尔

10nm快速崛起，重返Tick-Tock时代

英特尔的发展步伐一直是业内关注的焦点。2019年下半年英特尔先是在IEEE国际电子设备会议也就是IEDM上，公开了一份在之前2019年9月份的路线图上修订的新版路线图，然后又在公司内部的电话会议上谈及了新的7nm乃至5nm工艺，这几次会议和路线图，给出了不少有参考价值的信息。

英特尔路线图

从7nm到1.4nm

首先将目光放到最远，英特尔预计其工艺制程节点将以2年一个阶段的速度向前推进。从2019年推出10nm工艺开始（实际产品在市场上非常少见），2021年英特尔将发展至7nm，随后在2023、2025、2027和2029年工艺将持续快速推进至5nm、3nm、2nm和1.4nm。尤其是1.4nm，这是英特尔首次在相同类型的幻灯片中展示1.4nm的技术预期。从工艺角度来说，如果1.4nm的特征值得以实现，这意味这个节点的典型值只有12个硅原子连接起来的宽度那么“薄”。

▲英特尔的第一代10nm处理器，Core i3-8121U，只出现在数款笔记本电脑中，频率和功耗表现都不是很令人满意，并且还被强制关闭了核芯显卡。

值得注意的是，在今年的IEDM大会上，一些被称为“2D自组装（2D self-assembly）”的材料被提及，这种材料的尺寸大约为0.3nm。在工艺界，这样小尺度的材料并非首次被提出，但是在硅材料方面的应用和相关话题还是首次。延展来说，有关2D自组装材料的研究目前在《自然》和《科学》两大顶级杂志上相当热门，其主要内容极为艰深。

一些有关2D自组装材料的研究包括：通过将半晶嵌段共聚物BCPs与均聚物选择在合适的溶剂中进行外延结晶，从而引发自组装过程，创建一个自定义尺寸的超分子物体；或者是基于范德华力的相互作用，氢键和偶极相互驱动，在双组份分子系统中实现二位自组装，实现有序均质分子网；另外还有二位等离子体纳米片的自组装过程研究。显然，无论哪种2D自组装过程，在硅材料上的应用都处于初级阶段，英特尔在这方面还需要进行大量、极高难度的研究。因此，对1.4nm的制造工艺目前所采用的实现方式尚缺乏定论，也不需要太过乐观。

▲2D自组装材料对现在所有人来说都过于前沿，但是英特尔预计将在2029年使用这个技术制造1.4nm工艺制程的产品。

除了新的工艺路线图外，在每代工艺之间，英特尔还布置了“+”和“++”这种工艺优化的版本，以便更进一步推高每个节点的性能。唯一例外的是10nm，实际上我们目前看到的10nm工艺已经是10nm+了，第一版10nm工艺由于最终性能和功耗等问题，已经被英特尔彻底放弃。因此我们将在2020年和2021年分别看到10nm的第二个改进版本10nm++和第三个改进版本10nm+++。

英特尔认为，他们可以按照年度节奏进行这样的操作，但是也有另外的同步团队来确保一个完整流程节点的工作。数个团队在同一时间内分别就不同的目标进行工作，同时也互相保持沟通。

英特尔的幻灯片还有一个有趣之处在于提到了反相移植。一般来说，英特尔的芯片在设计时已经和固定工艺制程节点绑定。但考虑到节点延迟等问题，因此英特尔会考虑新的芯片设计也能够在上一代的工艺制程上进行制造，当然所谓“上一代”的可选工艺制程范围是有限的。尽管英特尔此前表示，他们正在将芯片设计和制造工艺节点脱钩，但是在某些情况下，必须要先确定制造工艺节点，才能开始进行硅片布局，这就意味着工艺节点和芯片设计相互锁定，尤其是在掩模设计的时候。

英特尔还说明了一些反相移植的例子，比如任何第一代7nm工艺节点都将可能反相移植到10nm+++，任何第一代5nm工艺节点都可以反相移植到7nm++，以此类推。从目前的情况来看，英特尔在10nm工艺制程上耗费了太多的时间，对整个产品后续发展带来了比较重大且不利的影响。一些传言显示英特尔可能会将一些为10nm设计的处理器产品移植到目前成熟的14nm+++工艺上来发布，但目前英特尔没有对这个传言有明确的表态。

除了上述内容外，路线图还显示英特尔正在进行10nm+++优化工艺和整个7nm工艺的产品开发。从设计角度来看，每一代“+”的开发难度较低，相对应的节点开发难度比较高。接下来英特尔将基于10nm++开发7nm工艺、基于7nm设计开发5nm工艺，基于5nm工艺来开发3nm工艺，毫无疑问，每一个“+”或者“++”所拥有的技术更新都将有可能进入下一代节点的设计之中。

在7nm节点之后的5nm节点，目前已经有很多讨论了，目前来看5nm的一些改进比如制造、材料和一致性等，最终可能都将呈现在英特尔新的工艺中，但这些改进如何实现，依旧取决于英特尔选择怎样的合作伙伴（历史上都由应用材料公司接手）。另外，5nm工艺在2023年呈现时，也正是ASML开始销售其High NA也就是高数值孔径透镜的时间。所谓高数值孔径透镜，是指新的透镜规格，这将带来光刻机微缩分辨率、套准精度两大核心参数的提升，最高可达70%。目前尚不确定英特尔是否会在5nm或者更远期的3nm上使用新一代高数值孔径设备，这还需要进一步观察。

在2023年之后，英特尔就将处于“寻路”和“探索”模式了。和之前数次类似情形相似，英特尔一直在考虑新材料的引入、新的晶体管设计等。本届IEDM上，出现了很多针对全栅极晶体管的讨论，无论是纳米片还是纳米线，随着FinFET技术在更新工艺下的逐渐失效，全栅极可能会逐渐成为主流。如果英特尔在未来的5nm乃至更新工艺上这样做的话，应该是顺理成章的。

重返Tick-Tock时代

英特尔将加速工艺研发速度

在2019年度最后一次的CEO电话会议上，英特尔也带来了新工艺和新产品的信息，其中最重要的就是在放慢了研发和产品节奏多年之后，英特尔决定重回充满活力和竞争力的Tick-Tock时代。

简单来说，“Tick-Tock”是一种产品架构和产品工艺交替换代的发展节奏，以一个产品年作为一个发展节点。其中第一年为“Tick”年，在产品生产上使用新工艺，那么第二年会被称为“Tock”年，将使用同代次工艺的优化版，但采用全新的处理器微架构，第三年又会回归到“Tick”，在同代次架构优化的基础上，采用全新节点的工艺，随后的第四年也会依次更替下去。

“Tick-Tock”的“工艺-架构”交替发展策略曾经为英特尔带来了巨大的成功，从2005第一代65nm Core架构到2010年的第四代Sandy Bridge架构，英特尔一直在坚持一代架构更新、一代工艺更新的步伐。不过随着Sandy Bridge架构推出后英特尔在架构研发策略上逐渐变得保守，再加上在14nm工艺后英特尔陷入制程瓶颈，“Tick-Tock”逐渐不再被提起，被英特尔事实上放弃了。

▲英特尔Tick-Tock是一个成功商业发展策略的典范，可惜在2010年后，这个策略就不那么引人注目了。

回到正文，在电话会议上，英特尔提出了将重新回归“Tick-Tock”的发展节奏。目前的Tick是10nm产品，其中包括第十代Ice Lake酷睿处理器、2020年第三季度交付的10nm Agilex FPGA产品。此外，2020年英特尔还将发布新的10nm工艺AI推理加速产品、5G基站SoC、新的Xeon处理器以及GPU产品。

▲英特尔10nm工艺在2020年将进入大规模量产阶段

接下来的2021年，英特尔将进入Tock步伐，工艺进步至7nm，首款产品为面向数据中心的GPU。在7nm工艺方面，英特尔提出，光刻技术将成为7nm乃至更新工艺制程的挑战。英特尔计划在进入7nm后才使用EUV光刻（意味着目前的10nm产品依旧基于传统的DUV光刻技术完成），时间大约是2021年的第四季度（这一点内容和之前路线图上的时间相吻合）。不过和传统的“Tock”不同的是，英特尔没有提到CPU产品何时进入7nm时代。

▲英特尔7nm首发产品将是面向数据中心的GPU：Xe

另外，英特尔还解释了有关10nm工艺延期以及未来的7nm工艺研发的问题。正如英特尔多次表示的那样，10nm延期的原因是由于目标设定过高。在从22nm转向14nm时，英特尔带来了2.4倍晶体管密度，在14nm转向10nm时设定了新工艺提升2.7倍晶体管密度的目标。但此设定过于激进，因此到现在都无法顺利量产。

▲英特尔多次解释，10nm延期的主要原因是技术指标设定过高。

在吸取了这个教训之后，英特尔在自己的7nm工艺设定上要更为保守一些，其密度增加会量力而行。显然，在延迟了4年之后，10nm工艺预计将在2021年进入大规模批量生产阶段（HVM），7nm也有望顺利进行。英特尔还提到，7nm工艺依旧将使用FinFET，随后的5nm和3nm阶段，英特尔可能会引入纳米片技术，也就是全栅极晶体管，但具体如何实施尚不得而知。