10nm都还没用上，这3nm就要来了，芯片制程工艺是否更新有点快?

　　01

　　台积电3nm工艺或于2年内准备就绪

　　台积电董事长刘德音(Dr. Mark Liu)证实，该公司的下一代 3nm 芯片制造节点，正在按计划推进之中。作为全球知名的芯片代工制造商，台积电当前正在建设 3nm 生产线，且有望明年转入试生产。与 5nm 制程节点相比，3nm 可提供几乎翻番的逻辑密度，辅以 11% 的性能提升、或 27% 的能效改进。

　　3nm较5nm制程的增益示例(图 via WCCFTech)

　　积电高管在早前的国际固态电路会议(ISSCC)演讲期间的这番表态，证实了该公司对下一代制造技术的信心。

　　在满足当前和未来产品的日益增长需求的同时，即便汽车领域的产品需求有所提升，也不会对整体产能造成太大影响。

　　需要指出的是，部分媒体误解了所谓的“3nm 工艺提前”。毕竟在主题为《释放创新未来》的 27 分钟演讲期间，高管并未直言此事，仅在开头和结尾对 3nm 开发进度“顺口一提”。

　　为提升逻辑密度，需要对相关技术展开协同优化，同时也增加了一定的成本。

　　除了透露 3nm 技术的发展正在如期推进且相当顺利，刘德音还提供了对 3nm 工艺的最新数据、以及对工艺发展的看法。

　　他指出，到目前为止，台积电已出货约 18 亿片基于 7nm 工艺节点的芯片。截止 2020 年，该公司一直是行业中的领跑者。

　　得益于极紫外光刻(EUV)技术，台积电能够实现更高的保真度、缩短周期、并降低工艺的复杂性和缺陷率。

　　值得一提的是，台积电在 5nm 节点的十层掩模工艺中使用了 EUV 技术(具体包括线切割、接触、金属线图案)，并用单层 EUV 取代了早期的多层深紫外(DUV)工艺。

　　随后刘德音强调了设计技术的协同优化(DTC)，以及该方案在过去几年中对芯片制造的重要性。对于芯片制造商来说，这使得他们能够同时使用设计和制造技术来满足性能要求。

　　此外 DTCO 使得台积电在衡量节点的逻辑密度时超越了固有的缩放指标，比如接触栅间距和最小金属间距。

　　结合有源区上的栅极接触、单扩散中断、鳍片减少等特性，还可为 3nm 工艺节点带来 1.8 倍于 5nm 的逻辑密度。

　　最后，刘德音披露了公司的未来计划，包括开发 sub-3D 材料和晶圆级单晶六方氮化硼。

　　两者的特点是能够在较低的制造温度下，转移至任意衬底上，从而为在三个维度上制造有源逻辑层和存储层开辟了新的道路。

　　此外台积电对于低维材料的研究，包包括一维的碳纳米管。借助这一晶体通道的关键，是开发出一种栅极长度较短的晶体管介电材料。

　　如上图所示，研究表明这项技术已有实现的可能。具有高k栅极堆叠能力的新材料，很适合用于制造栅极长度为 10nm 的晶体管。

　　当然，为了达成如此远大的目标，台积电还需要与芯片行业的所有同行紧密合作，以确保 3nm 工艺能够发展到 2 倍于当前的性能。

　　考虑到该公司正在量产的 5nm 顺应了这一趋势，即将面世的 3nm 节点也有望遵循这一时间安排。

　　02

　　三星去年12月领先台积电

　　台积电如此积极地推动技术革新，恐怕与三星去年12月领先台积电成为全球头号晶圆制造商有关。

　　据IC Insights报道，2020年12月期间，前五大晶圆制造商的全球产能占比增至54%。你可能会认为台湾半导体制造公司(TSMC)会领先，考虑到它的客户包括AMD、苹果、高通和博通，但这家纯代工厂的月产能却比三星低了约40万片。

　　三星利润丰厚的内存业务无疑是其夺得第一的重要原因，而NVIDIA则在其消费级安培产品线上使用了三星8nm工艺的定制版，在A100加速器上坚持使用台积电及其7nm FinFET工艺。

　　紧随台积电之后，产能排名第三的是美光科技，其月产能超过190万片。SK海力士排名第四(约185万片)，然后是存储器IC供应商Kioxia排名第五(160万片)。英特尔拥有自己的制造厂，以每月88.4万片晶圆排在第六位。

　　芯片短缺所造成的问题是有据可查的，影响的行业包括PC硬件、汽车和游戏机--甚至连拜登政府也参与其中希望解决这一问题。

　　责任编辑：张华