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芯片7nm指的是什么 7nm工藝是什么意思

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【芯片7nm指的是什么 7nm工藝是什么意思】

芯片7nm指的是什么 7nm工藝是什么意思


在談最先進(jìn)半導(dǎo)體制造工藝的時(shí)候，2019年的SoC似乎絕大部分都可以統(tǒng)歸為7nm 。但是當(dāng)我們?nèi)ゼ?xì)看不同手機(jī)SoC甚至PC CPU的工藝制程時(shí)，大家的7nm似乎都有些差別 。我們匯總?cè)缃癖容^流行的一些SoC，所用工藝制程情況如下：
即便都是7nm，但似乎都有些差異，甚至還有像三星這樣只“差”了1nm的8nm方案，這些還是值得我們?nèi)パ芯總€(gè)中差別的 。我們也期望通過粗淺地闡述不同7nm工藝在參數(shù)方面的差別，來大致看一看如今的工藝制程有著什么樣的市場(chǎng)宣傳范式 。
通過對(duì)不同7nm、8nm工藝的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深，也有助于我們搞清楚這些數(shù)字實(shí)際意味著什么，以及“摩爾定律”背后的這些晶體管現(xiàn)如今究竟在以怎樣的步伐邁進(jìn) 。
驍龍855有兩種7nm？
臺(tái)積電（TSMC）是從2018年4月開始大規(guī)模量產(chǎn)7nm制程的 。在臺(tái)積電的規(guī)劃中，7nm是一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)期、完整的工藝節(jié)點(diǎn)——之前一代是16nm 。而此間的10nm則屬于短期過渡方案 。最早的這批TSMC 7nm方案，即上表中的N7（或N7FF） 。它廣泛地應(yīng)用在了高通驍龍855、華為Kirin 990、AMD Zen 2這些SoC產(chǎn)品上 。臺(tái)積電宣稱相比16nm技術(shù)，7nm約有35-40%的速度提升，或降低了65%的功耗——這個(gè)值應(yīng)用于真實(shí)SoC應(yīng)該是很難真正實(shí)現(xiàn)的 。
N7仍然采用DUV（深紫外光）193nm 浸沒式ArF光刻，這與三星的7nm LPP就有了極大的差別 。N7工藝的晶體管gate pitch（柵極間距）縮小到了57nm，interconnect pitch（內(nèi)連接間距，最小金屬間距MMP，M1 pitch）40nm 。將gate pitch和interconnect pitch與前代，以及Intel的工藝做對(duì)比，大致上是這樣的：
圖片來源：WikiChip
需要指出的是，上面的數(shù)據(jù)來自WikiChip[1]，這個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)際上與各廠商官方給出的數(shù)據(jù)略有出入，似乎與另外一些研究機(jī)構(gòu)如TechInsights實(shí)際給出的數(shù)據(jù)也不一樣 。比如就10nm這個(gè)節(jié)點(diǎn)，臺(tái)積電最早給出的gate pitch為64nm，interconnect pitch為42nm；TechInsights在研究后認(rèn)為這個(gè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，他們更傾向于這兩個(gè)值分別是66nm與44nm[2]；WikiChip的數(shù)據(jù)則是66nm、42nm 。本文給出的所有數(shù)據(jù)亦可能都不夠準(zhǔn)確 。
就單個(gè)晶體管本身來看，N7晶體管的溝槽接觸部分（trench contact）采用鈷，代替了之前的鎢，這部分的電阻因此可以減少50% 。fin 寬度（Wfin）、高度（Hfin）理論上也應(yīng)當(dāng)有變化（fin就是指FinFET鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管的那個(gè)“鰭”，即下圖中的橙色部分；淺綠色部分也就是gate） 。縮減fin寬度實(shí)際上是讓溝道變窄了，而增加fin高度仍可維持一個(gè)相對(duì)有效的整體截面，減少寄生效應(yīng)的同時(shí)可以加強(qiáng)有效電流（Ieff）、有效電容（Ceff）之類的特性 。
不過實(shí)際上臺(tái)積電的N7工藝有兩種cell方案，分別對(duì)應(yīng)低功耗（HD）與高性能（HP） 。上面所述的這些指的是N7 HD低功耗（高密度）方案 。這兩種不同的cell方案，fin pitch（fin間距，或有譯作鰭片間距的）都是30nm，不過gate pitch前者為57nm，后者是64nm 。
論及standard cell（標(biāo)準(zhǔn)單元），這兩種方案的cell高度分別是240nm（6T/track，track是指走線軌道，信號(hào)線通常必須走在track上，standard cell高度可以用多少個(gè)track來表示，6T或6 track的意思就是在cell高度范圍內(nèi)必須走6條線）和300nm（7.5T） 。HP為10 fin，HD為8 fin 。HP高性能cell可達(dá)成更高10-13%的有效驅(qū)動(dòng)電流（Ieff），代價(jià)是略高一點(diǎn)的漏電流 。
很顯然，這兩種方案的晶體管密度也是不同的 。HD低功耗N7的晶體管密度為91.2 MTr/mm2（MTr是指百萬個(gè)晶體管，這個(gè)單位的意思即百萬晶體管每平方毫米）；HP高性能N7工藝晶體管密度65 MTr/mm2 。這兩個(gè)數(shù)字具體是什么量級(jí)呢？這將在后文的對(duì)比中提到 。

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