我們經(jīng)常在某手機發(fā)布會現(xiàn)場聽到，“××處理器采用了最先進的10nm工藝制造”，那么究竟這個10nm代表著什么意思呢？納米制程對于CPU、SoC而言到底多重要？又與晶體管、FinFET以及EUV有什么關(guān)系呢 ？一顆CPU誕生過程，其中第七步的紫外線曝光就是最重要的光刻技術(shù)，而光刻工藝是集成電路制造過程中最直接體現(xiàn)其工藝先進程度的技術(shù)，其中光刻技術(shù)的分辨率是指光刻系統(tǒng)所能分辨和加工的最小線條尺寸，決定了CPU中的晶體管最小特征尺寸。
根據(jù)ITRS《國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖》里面的相關(guān)規(guī)定，我們平常說說的16nm、14nm、10nm就是用來描述半導(dǎo)體制程工藝的節(jié)點代數(shù)，而它應(yīng)在不同半導(dǎo)體元件上，所描述的對象可能有所不一樣，比方說在DRAM中，可能是描述在DRAM Cell中兩條金屬線間最小允許間距Pitch值的一半長度Half-Pitch半節(jié)距長度；而用在CPU上時，可能描述的則是CPU晶體管中最小柵極線寬。
總的來說，××nm制程描述了該工藝代下加工尺度的精確度，但它并非指半導(dǎo)體器件中某一具體結(jié)構(gòu)的特征尺寸，而是加工精度的尺寸的最小值。這里我們主要討論的是關(guān)于CPU的制程問題，因為制程對于CPU性能、功耗、發(fā)熱來說有著比較重要地位，制程的改變對于CPU性能的影響也是非常之大的。之前我們也講到，14nm通常就是用來描述晶體管的柵極線寬。
為什么要用柵極線寬而不是其他的線寬來表征工藝節(jié)點？
這個主要是涉及到晶體管結(jié)構(gòu)問題，一般來說CPU內(nèi)部邏輯門電路都是使用MosFET，它有三個電極，柵極（Gate）、源極（Source）、漏極（Drain），其中柵極與源極之間的電壓差可以控制從源極流向漏極的電流大小，因此柵極起到了控制作用。
同時諸如晶體管電子遷移率等等特性是完全依賴于摻雜離子以及生產(chǎn)工藝所決定，基本上是不能動，不過其中的晶體管柵極的長寬比還是可以做做文章，電壓一樣的情況下，柵極寬度越小，電子就有可能通過晶體襯底從負極向正極流動，造成漏電，而漏電問題會帶來靜態(tài)功耗的上升。
因此柵極線寬作用是非常重要，柵極線寬通常都是考量超大規(guī)模集成電路設(shè)計的最重要參數(shù)，也因此以它作為半導(dǎo)體工藝的節(jié)點劃代，這個是傳統(tǒng)意義上工藝制程的規(guī)范。
那么意思是制程越小越好咯？
確實是這樣，你想，線寬越小，那么單個晶體管的尺寸就越小，那么做出來的CPU die面積就越小啦，同一塊晶圓就能生產(chǎn)出更多的CPU die，那么無形中就增加了廠商收入（成片越多）。反過來，你也可以在相同的die面積下集成更多的晶體管，那么CPU性能也會得到提升（當然這不是絕對的）。
其次由于柵極線寬變小了，那么工作電壓會相應(yīng)降低，CPU的功耗也會隨之降低，此外在更先進的工藝下，晶體管截止頻率上會有更好表現(xiàn)，CPU也自然能工作在更高的頻率上。所以我們經(jīng)常看到某某SoC、CPU說，我們采用了更先進的10nm，功耗下降了××%，頻率提升了××%，性能提升了××%。
臺積電的10nm都量產(chǎn)已久，Intel卻還沒出貨，Intel的無敵工藝不行了？
前幾年Intel從22nm進入14nm時代，大家都在說Intel在工藝制程上起碼領(lǐng)先于其他家3-5年以上，但是好景不長，大家發(fā)現(xiàn)卻發(fā)現(xiàn)Intel 14nm居然打磨了一遍又一遍，從Skylake（14nm）、Kaby Lake（14nm+）、Coffee Lake（14nm++），歷經(jīng)三代依然在用，據(jù)說還會有14nm+++，原本說好的10nm遭遇大量技術(shù)問題而難產(chǎn)。
反觀對手臺積電、三星在代工路上風生水起，16/14nm節(jié)點上追趕上了Intel的進度，令人驚訝的是，臺積電、三星的10nm工藝量產(chǎn)遠遠早于Intel，相關(guān)產(chǎn)品（例如高通驍龍835）甚至在市場上已經(jīng)賣了整整一年，臺積電甚至在今年量產(chǎn)7nm芯片，這又是怎么回事？
普羅大眾都認為10nm肯定比14nm先進，12nm都比14nm好，就在Intel被消極輿論聲音即將淹沒的時候，Intel點破了納米制程工藝數(shù)字背后“奧秘”，因為臺積電、三星的工藝數(shù)字都經(jīng)過不同程度的“美化”，在命名上耍小聰明，也就是“數(shù)字”壓制，雖然Intel在“數(shù)字”上輸了，但是從工藝各個層面在一些關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)上來說，Intel其實更勝一籌。之前的14nm就曾經(jīng)出現(xiàn)過這種情況，××nm制程已經(jīng)開始脫離原先的范疇，大家開始“造假”。
14nm時代，Intel已經(jīng)踢爆過一次幕后的秘密
Techinsights也做過對比，Intel 14nm確實優(yōu)于三星的14nm LPE
Intel表示線寬僅僅代表工藝節(jié)點，但要衡量這個工藝的好壞，Gate Pitch柵極間距、Fin Pitc鰭片間距、Fin Pitch最小金屬間距、Logic Cell Height邏輯單元高度的參數(shù)更具參考意義。同時Intel處理器架構(gòu)與集成部門主管、高級院士Mark Bohr提出以Transistor Density晶體管密度來衡量半導(dǎo)體工藝水平，并提出了以下公式：
比如在去年9月，Intel舉辦的Technology and Manufacturing Day上，主動公布出三家10nm工藝相關(guān)技術(shù)參數(shù)指標，我們看到Intel在這些關(guān)鍵性技術(shù)指標上都是吊打其余兩家，例如Intel的10nm光刻技術(shù)制造出來的鰭片、柵極間隔更小（注意Intel公布的是間隔對比，不是線寬，更有比較意義）。因此在晶體管密度上幾乎是臺積電、三星的兩倍，達到了每平方毫米1億個晶體管，同時保持了邏輯單元高度低的優(yōu)良傳統(tǒng)，在3D堆疊上更有優(yōu)勢。
最近Semiwiki報道了三星的10nm、8nm以及7nm工藝晶體管密度情況，其10/8/7nm工藝的晶體管密度分別是是55.10/64.4/101.23 MTr/mm2。可以看到，三星的7nm工藝在晶體管密度上才追勉強上Intel的10nm，誰在玩小把戲，你不會不知道吧？
那工藝的極限在哪里？
當制程低于20nm時候，由于二氧化硅絕緣層太薄了，只有幾個原子那么厚，那么這個時候?qū)τ诰w管來說是十分不穩(wěn)定的，會導(dǎo)致電子隨意穿過壁壘導(dǎo)致漏電，導(dǎo)致芯片功耗增加。不過這個還算是小問題，Intel弄出了高介電常數(shù)薄膜和金屬門集成電路，以及耳熟能詳?shù)腇inFET鰭式場效晶體管結(jié)構(gòu)，通過增加絕緣層表面積來增加電容值，以此降低漏電流大小的問題。同時為了制造出7nm線寬，行業(yè)共識是采用EUV極紫外作為光刻光源，具有曝光次數(shù)少、不要進行克服衍射效應(yīng)產(chǎn)生的光學鄰近修正特點，不過目前依然有大量問題，因此EUV光刻技術(shù)尚未完全成熟。
當工藝進步到7nm的時候，半導(dǎo)體企業(yè)更加不淡定了，因為在硅基半導(dǎo)體上，晶體管的線寬下降到7nm，一個不可避免的問題發(fā)生了，那就著名的量子隧穿效應(yīng)。
在經(jīng)典物理中，宏觀粒子的能量小于勢壘高度時，這個粒子是不可能穿過這個勢壘，但是對于微觀粒子，此時具有波粒二象性，神奇的量子效應(yīng)就出現(xiàn)了，即便是能量低于勢壘高度，仍有一定的概率可以突破勢壘。這要就造成一個大問題，這個電子到底過去了沒有，監(jiān)測到?jīng)]有，邏輯門該輸出0還是1，答案不知道，那么CPU就不能正常工作，因此要杜絕這個問題發(fā)生。
Intel、臺積電、三星等半導(dǎo)體制造前沿企業(yè)均已經(jīng)針對這個問題進行了研究，依然有一些措施可以防止量子隧穿效應(yīng)的出現(xiàn)。對于硅基半導(dǎo)體，Intel是展望的工藝極限是5nm或者3nm；三星的話后續(xù)會有8/7/6/5/4nm LPP工藝，并且在4nm會引入Multi Bridge Channel FET結(jié)構(gòu)（簡稱MBCFET，多溝道場效應(yīng)管），獨特GAAFET（邏輯門環(huán)繞場效應(yīng)晶體管）技術(shù)，使用二維納米片晶克服物理擴展以及FinFET架構(gòu)帶來的局限性。
而媒體上低于3nm工藝的報道都不是基于硅氧化物，而是石墨烯等新型復(fù)合半導(dǎo)體材料，而且全都是實驗室技術(shù)突破，無法短時間內(nèi)量產(chǎn)的。但尋找新材料代替硅制作更低制程的晶體管是一個行之有效的解決方法之一。
通讀全文，你就知曉目前半導(dǎo)體制程所謂的10nm 、7nm已經(jīng)偏離最初的范疇，不再是嚴格意義上線寬，16nm“優(yōu)化”一下可以叫12nm，10nm“優(yōu)化”還可以叫8nm。作為摩爾定律擁護者的Intel當然是氣不過，多次點評批評三星、臺積電的“數(shù)字美化”行為。實際從晶體管密度參數(shù)上看，三星的7nm≈Intel 10nm，如此看來Intel的10nm難產(chǎn)也是情有可原，目標定得太高，卻被友商狡猾地換了個名字所取勝，普羅大眾卻因為不懂工藝制程的虛實而相信廠商的一面之詞。Intel的制造工藝技術(shù)其實并沒有那么不堪，仍然處于世界領(lǐng)先地位。
