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三星发布GAA晶体管3nm甚至1nm未来可期

【天极网手机频道】英特尔在本月的投资者透露,公司解释了之所以一再推迟10nm芯片上市的原因,同时宣称将在2021年发布采用7nm工艺的Xe显卡。

  三星动作迅速,在近日的SFF(Samsung Foundry Forum)美国分会上表示:公司计划在2021年推出一款突破性的产品,这款产品基于三星3nm GAA(gate all around)工艺制造,性能提高35%,并将功耗降低50%、芯片面积缩小45%。

  三星在3nm工艺上使用了最新一代的GAA技术,能够对芯片核心的晶体管进行重新设计,使芯片更小更快。因为早期的芯片电路中,电流一直由通道顶部的“闸门”来控制,但GAA利用特定的材料,将整个电流通道包裹成类似3D结构,这种设计比“闸门”更加复杂。一些人设想GAA晶体管通道是一种叫做纳米线的小圆柱体,但是三星的设计使用了一种叫做纳米片的平坦通道。

三星在本次的SFF上表示,第一批3nm芯片主要面向智能手机及其他移动设备,三星计划在2020年进行测试,2021年开始倒入量产。至于对性能要求更高图形处理器、数据中心的AI芯片等产品,则需要等到2022年。三星代工业务营销副总裁Ryan Lee在本次大会上表示:GAA的出现标志着三星代工业务进入一个全新的时代,这也是三星与英特尔和台积电竞争过程中的关键一步。

国际商业战略咨询公司的CEO Handel Jones表示:三星的GAA项目研究初见成效,它在GAA方面领先对手台积电约12个月,英特尔的落后幅度更可能达到两至三年。三星在GAA项目的突破,可能会超出摩尔定律的预期,进一步手机、智能手表、家居设备和汽车变得更智能。

三星代工业务营销副总裁Ryan Lee还对三星芯片的未来作了预测:GAA技术的发展可能会让2nm甚至1nm工艺成为可能,虽然三星还不确定是否会采用什么样的结构,但依然相信会有这样的技术出现。实际上,芯片制造商几十年来一直在担心芯片小型化过程中遇到的障碍,至于2nm甚至是1nm这种接近物理极限的工艺,确实变得难以捉摸。

  除了DRAM内存和NAND Flash闪存芯片之外,三星近些年一直在制造高性能逻辑处理器。三星电子已经将旗下的代工部门拆分为单独的业务,高通代工了部分骁龙800系列、700系列处理器,最近有消息称三星半导体还将与AMD合作,为其代工高性能GPU,未来甚至有可能为其制造x86架构CPU。

在半导体微缩的过程中,其晶圆的设计成本也水涨船高。据传14nm晶圆的设计费用超过1亿美元,3nm的价格超过10亿美元也并非不可能。高昂的晶圆设计成本,会让中小企业望而却步。不过三星相关负责人对3nm的前景依然感到乐观,他表示成本正在逐步下降。

在处理器制造的辉煌时期,每更新一代技术将带来面积更小、性能更强、功耗更低,同时成本也更少的产品,但现在的产品都需要平衡性能、功耗、成本等多个方面。

最早的半导体制程工艺代表了晶体管尺寸,不过近些年来,这种默认的行规被打破,制程工艺变成了三星、台积电的数字游戏。不过三星的7nm工艺和英特尔的10nm非常接近,三星如果能够在2021年推出3nm工艺的话,对于英特尔来说可不是什么好消息,毕竟2021年的7nm能否顺利量产,现在依然是一个未知数。

目前,英特尔和台积电尚未为此事置评。

除了3nm工艺,三星还准备各种工艺来满足不同用户的需求,覆盖到10nm往下节点的各个数字上。除了采用GAA工艺的3nm产品外,未来可能还有2nm甚至1nm工艺,挑战半导体的物理学极限。但三星如此多的工艺容易让人眼花缭乱。

为了解决这问题,Cacdence公司官方博客专栏作家保罗麦克莱伦日前撰文,分析三星的制程工艺,用一张简洁而且清晰的图标汇总了三星目前的制程工艺,如下所示:三星目前拥有四大工艺节点,分别是14nm、10nm、7nm及3nm,并针对每代节点的衍生版进行重新命名,其中14nm节点有14nm LPE、14nm LPP、14nm LPC、14nm LPU及11nm LPP版本;10nm节点有10nm LPE、10nm LPP、8nm LPP、8nm LPU及尚在开发中的版本;7nm节点中,三星直接放弃LPE低功耗版,直接进入7nm LPP和7nm EUV(EUV光刻工艺辅助)、6nm LPP、5nm LPE、4nm LPE等衍生版;三星在3nm节点开始放弃FinFET工艺,转向GAA晶体管,第一代3GAE、3GAP工艺两种,后续还在继续优化改良中。

  三星各个工艺的时间点也不尽相同,7nm EUV工艺在2019年4月份开始量产,下半年开始推6nm工艺;5nm工艺将在2019年4月份完成开发,下半年首次流片,计划于2020年量产。4nm工艺2019年下半年完成开发,而3nm GAE工艺已经发布了1.0版PDK,预期是2021年量产。