4nm芯片再現(xiàn)功耗問題，先進制程芯片如何破解漏電“魔咒”

近日，多款采用4nm制程芯片的手機，被用戶吐槽存在發(fā)熱量高和功耗高等方面的問題。據(jù)了解，此次涉嫌功耗過熱的三款頂級手機芯片，分別是高通驍龍8 Gen 1、三星Exynos 2200、聯(lián)發(fā)科天璣9000，均為目前各廠商高端芯片的代表。同時，天璣9000的生產(chǎn)商為臺積電，Exynos 2200和驍龍 8 Gen 1的生產(chǎn)商三星，為排名前兩位的芯片代工制造商。

去年年初，5nm芯片就因發(fā)熱問題被頻頻吐槽，如今4nm芯片再度陷入同樣的困境：先進工藝制程芯片存在漏電流問題，導致發(fā)熱量過高，似乎已經(jīng)成為一種“魔咒”，是芯片制程工藝最大障礙之一。芯片的工藝制程仍在不斷延伸，未來如何有效破解漏電“魔咒”已經(jīng)成為整個芯片制造領域的努力方向。

短溝道效應帶來的挑戰(zhàn)

一般情況下，根據(jù)登納徳縮放比例定律，隨著芯片尺寸的縮小，所需的電壓和電流也會下降，由于功耗會受電壓和電流的影響，當制程工藝提升、電壓和電流隨之下降時，其芯片產(chǎn)生的功耗也會降低。臺積電表示，與7nm工藝相比，同樣性能下5nm工藝的功耗降低30%，同樣的功耗下則性能提升了15%。

然而，隨著芯片制程進入5nm，卻頻頻出現(xiàn)功耗過高的問題。北京超弦存儲器研究院執(zhí)行副院長、北京航空航天大學兼職博導趙超認為，短溝道效應是造成4nm、5nm等先進工藝出現(xiàn)功耗問題的主要原因之一，也成為了先進制程發(fā)展中最大的阻礙。

半導體制造中，集成電路的尺寸隨著摩爾定律的發(fā)展而持續(xù)縮小，溝道長度也相應地縮短，這就導致了溝道管中的S和D（源和漏）的距離越來越短。因此柵極對溝道的控制能力變差，這就意味著柵極電壓夾斷溝道的難度變大，即產(chǎn)生短溝道效應，從而出現(xiàn)嚴重的電流泄露（漏電）現(xiàn)象，最終讓芯片的發(fā)熱和耗電失控。

“5nm、4nm芯片所采用的都是FinFET（鰭式場效應晶體管）結構。FinFET結構在芯片制程進入28nm后，相比較于平面MOSFET器件結構，具有更強的柵極控制能力，F(xiàn)inFET結構可通過增加柵極與溝道的接觸面積，來增強對導電溝道的控制。溝道接觸面積的增長，可以從一定程度上緩解短溝道效應，從而將芯片制程繼續(xù)延伸。然而，隨著芯片制程逐漸延伸到5nm及5nm以下，采用FinFET結構先進制程的芯片，也出現(xiàn)了短溝道效益造成漏電現(xiàn)象。這也與FinFET本身的結構有關。FinFET所采用的是三面柵的結構，并非四面環(huán)繞式的結構，其中一個方向沒有柵極的包裹。隨著芯片制程的不斷減小，F(xiàn)inFET三面柵的結構對于漏電的控制能力也在逐漸減弱，造成芯片再次出現(xiàn)功耗問題。”趙超表示。

如何破解漏電“魔咒”？

未來芯片制程仍將繼續(xù)向3nm甚至2nm延伸，人們也在積極考慮如何解決漏電流所導致的功耗與發(fā)熱問題，包括更換新材料、采用新架構——GAA（環(huán)繞式柵極）結構等，以期打破長久以來存在的漏電“魔咒”。

在材料方面，趙超介紹，采用具有高介電常數(shù)的柵介質材料替代原本的二氧化硅材料，可有效解決短溝道效應造成柵極漏電的問題。而二氧化鉿屬于高介電常數(shù)的材料，以二氧化鉿來替代二氧化硅作為柵介質材料，可有效提高介電常數(shù)，減少漏電情況，并有效增加電容荷電的能力。

同時，隨著芯片制程的延伸，采用四面環(huán)柵結構的GAA技術逐漸受到更多地關注。復旦大學微電子學院副院長周鵬表示，相較于三面圍柵的FinFET結構，GAA技術的四面環(huán)柵結構可以更好地抑制漏電流的形成以及增大驅動電流，進而更有利于實現(xiàn)性能和功耗之間的有效平衡。因此，GAA技術在5nm之后更小的制程中，更受到業(yè)界的普遍認可和青睞。

然而，無論是新材料，還是GAA技術，都難以在短時間內解決問題。有研究人員發(fā)現(xiàn)，若想在碳納米管晶體管中使用二氧化鉿來替代二氧化硅成為柵極電介質材料，二氧化鉿同樣難以在所需的薄層中形成高介電常數(shù)的電介質。

GAA結構的量產(chǎn)實現(xiàn)同樣困難重重。據(jù)了解，近期三星采用GAA結構打造的3nm芯片，良率僅在10%~20%之間。而臺積電在其第一代3nm制程中仍將保持采用FinFET工藝。

“在半導體領域當中，任何一種技術的轉換或更迭，往往需要經(jīng)歷多年的試錯和改進，GAA結構雖然在5nm以下的制程中，具有較為明顯的優(yōu)勢，但其最終能否實現(xiàn)預期的高性能和低功耗，還取決于其制程中所面臨的技術難題能否被一一攻克。”周鵬說。

4nm并非噱頭

對于此次4nm芯片出現(xiàn)功耗問題，也有消費者質疑，4nm是否只是一個商業(yè)噱頭？4nm與5nm技術實則并無太大差異，否則為何高功耗、高發(fā)熱的問題依然如故？

一般而言，對于芯片工藝的名稱數(shù)字，是以0.7倍為節(jié)奏演進的，例如，14nm工藝之后，完整的工藝迭代應當是10nm（14nm x0.7≈10nm），10nm之后是7nm，7nm之后是5nm。若按此規(guī)則演進，5nm后究竟應該是4nm還是3nm，在四舍五入規(guī)則下似乎并不明確。但在代工廠的約定俗成下，5nm的完整工藝迭代應為3nm。因此，4nm應當屬于5nm和3nm的過渡工藝，其角色定位與此前推出的8nm（10nm和7nm的過渡工藝）、6nm（7nm和5nm的過渡工藝）類似。在各代工廠3nm工藝紛紛延后的情況下，4nm出現(xiàn)的價值似乎在于填補這一時間內的市場空白。

然而，這并不意味著4nm工藝等同于5nm。4nm工藝雖然不屬于5nm工藝的“完整迭代”，但也是“同代演進”。臺積電曾承諾，其最新4nm工藝，比5nm的性能提升11%，能效提高22%。

對此有專家解釋，造成4nm工藝芯片出現(xiàn)功耗問題的因素有很多，難以一概而論。架構、器件等都是會影響芯片最終性能的因素。同樣被稱為4nm工藝芯片，臺積電和三星的芯片工藝細節(jié)也大為不同。隨著摩爾定律的不斷演進，芯片尺寸的縮小幅度已經(jīng)非常有限，這已經(jīng)不能成為衡量芯片工藝制程演進的唯一標準。

作者丨沈叢

編輯丨連曉東

美編丨馬利亞