摩爾定律下不得面對的架構挑戰

作者 : 吳清珍,EE Times China

三星在先進製程上一直落後台積電,為超越,三星決意在3nm節點上轉換架構。不過這並非半導體在製程上首次改變架構設計…

近日三星(Samsung)代工的首批3nm GAA製程的晶片已經完成生產,並在韓國華城園區舉行出貨儀式。此次三星並未公佈首批出貨的3nm晶片客戶名單,有傳聞稱,中國比特幣挖礦用半導體廠商——上海盤矽半導體(PanSemi)是首批客戶之一。 半導體製程競爭白熱化,業界也在不斷關注台積電(TSMC)的3nm製程何時量產,雖然有傳聞指出台積電的3nm製程在新竹、南科兩個園區同時量產,但台積電並未確認該消息的真實性。據悉,台積電第一代3nm製程仍用鰭式場效電晶體(FinFET),第二代3nm製程大概在2024年投產,2nm製程在2025年投產,如果進展順利,1nm製程可能要在2026年或2027年才能投產。  

台積電的先進製程技術組合時間線。

  摩爾定律下的架構設計挑戰 業界對半導體的先進製程進展關注不減,例如「蘋果(Apple) M2晶片即將採用台積電5nm製程」、「英特爾(Intel)處理器也許將由台積電3nm代工技術」等相關消息也能看出。自1965年英特爾創辦人之一的Gordon Moore於《電子學》(Electronics)雜誌提出「摩爾定律」開始,半導體產業就開始為持續突破摩爾定律做技術研發。那什麼是先進製程?從過去「大哥大」到現在能通話、能上網、能影視娛樂等多功能的智慧型手機演進,皆因這一顆小小的晶片進化,而晶片進化又跟摩爾定律有著不可分割的關係。 所謂摩爾定律,是指電晶體持續性的朝小型化路徑發展,在縮小體積的同時,積體電路上的電晶體數量以幾何級數量的方式成長。隨著產業發展趨勢的修正,電晶體的數量也從原先預期的每年翻一倍,到每18~24個月增加一倍,性能比上一代晶片提升40%的效能,為產業帶來創新。 目前市場上常見的40nm、28nm、7nm製程的命名主要根據晶片內的「閘極」長度來定。在半導體產業中突破摩爾定律之路上,以台積電、三星、英特爾為主,其他廠商皆對外宣佈將止步於成熟製程,僅針對現有製程技術最佳化,不再投入研發成本來推進先進製程佈局。 三星在先進製程上一直落後於台積電,為超越,該公司決意在3nm節點上轉換架構,不過這並非半導體在製程上首次改變架構設計,16nm製程之前採用的是平面電晶體架構(即Planar FET),直到16nm之後才採用現在的鰭式電晶體架構(即FinFET)。 架構的存在與轉變,主要在於控制晶片內電子流動的表現,但晶片尺寸越來越小後,閘極也因為不易控制造成漏電情況發生,稱之為短通道效應(Short Channel Effect)。因此容易產生過多能源的消耗讓終端設備表現大打折扣,在16nm製程轉換架構也是為了在逐漸微縮的晶片中持續強化電流的控制,以改善短通道效應。     三種半導體製程架構: 1.平面電晶體 平面電晶體,顧名思義其閘極設計是為平面,能讓閘極與通道在同個平面上保持接觸,而接觸的緊密程度將影響電流發生漏電的現象。當晶片設計持續微縮,通道的距離越來越短,容易造成短通道效應。過去半導體業界會以Doping (參雜半導體)的方式解決此一漏電問題,但是當製程縮小、漏電情況也越趨嚴重,平面電晶體架構也面臨到需要改變的時刻。 2.鰭式電晶體 為了擴大閘極的接觸面積、改善短通道效應,半導體業界將架構從平面改以垂直立體的設計,因為通道側看就像是魚鰭、因而有了鰭式電晶體的名號。 3.環繞閘極場效電晶體(GAAFET) 短通道效應依舊會受到先進製程的持續推進而出現,再度提出了改變架構的作法。但架構的轉換在製程各個環節都有可能受到影響需要調整,半導體業界改採GAAFET,雖同為立體的概念、但鰭式電晶體僅有三面接觸通道,GAAFET則是360度被包覆的環狀結構,因此能更有效的提高對電路的控制與穩定性,減少短通道效應的情況發生。 先進製程與成熟製程各領風騷 雖然市場上對「先進製程」和「成熟製程」沒有明確的定義分界,但以7nm 為分水嶺,包括5nm、3nm以下的稱為「先進製程」,而7nm以上的包括16nm、28nm等稱為「成熟製程」。不同製程的晶片體積不同,也決定了終端應用需求的差異。 成熟製程並不因為先進製程的技術領先受到排擠,而更多應用需求會考慮效能和成本優先選擇成熟製程。比如車用電子,常見的MCU基於安全、成本、效能等多方面考慮,主力採用45nm~130nm的成熟製程;物聯網、運算、資料處理晶片也無需追求更小的晶片設計,成熟製程皆能滿足。 而手機、筆記型電腦、雲端資料等設備在追求體積微縮的同時,還強調效能運作的表現。尤其在5G、AI等各種應用如雨後春筍般出現,大量的資料和影像資料處理也需要更強大的晶片才能加速運算力。 但先進晶片帶來的利潤較高,決定了產業的未來,如台積電就是鮮明的例子,它以自身優越的製程技術佔據全球晶圓代工市場的半壁江山。在最新公佈的2022年第二季業績報告,季其度營收新台幣5,341.41億元,與去年同期相比成長約43.5%,環比成長8.8%;淨利潤新台幣2,370億元,與去年同期相比成長76%,環比成長16.9%,超過市場預估新台幣2,198.1億元。 在製程方面,台積電5nm製程晶圓出貨量佔據公司營收的21%,7nm製程晶圓出貨量佔據公司營收的30%,16nm和28nm營收佔比分別為14%和10%,其先進製程(7nm及更先進製程)營收總佔比高達到51%。     根據SEMI最新統計,中國在2024年底預計建立31座大型晶圓廠,主要鎖定在成熟製程上。雖然超過台灣同期間預定投入運作的19座,以及美國預期的12座。由於晶片製造設備的被限制,華爾街日報表示,這種情況已使一些中國本土晶片企業調整路徑,聚焦較低階晶片技術的計畫。 不過,據International Business Strategies資料,預計到2030年,28nm晶片的需求將增加逾兩倍至281億美元。到了2025年,全球28nm製程晶片40%的產能會在中國。 先進製程和成熟製程在不同領域各領風騷,但突破摩爾定律的限制也是為了加速產業的進步,在先進製程演進中,需透過調整架構設計,解決隨著晶片持續微縮而產生的各種挑戰。 之前也有說法認為摩爾定律已經失效了,但業界為了持續突破半導體製程技術,也在尋求其他解決方案,比如異質整合、晶片堆疊技術等先進封裝技術,先進製程的推進是引領全球產業進步的重中之重,或在更趨微縮的空間裡,材料應用也將面臨到新一波的革命。 參考資料 1.香港經濟日報 2.新浪科技 3.先進製程領軍:全面剖析半導體產業突破摩爾定律的極限,SEMI        

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