芯片的工艺现在达到了5纳米，未来是多少？它有极限吗？

芯片，随着这几年的火热，相信小伙伴们都非常熟悉了。相比较那些泛泛而谈的介绍，今天芯片哥想说一些不一样的内容。

芯片

也许有人会说，芯片哥问的这个问题好奇怪。怎么去判断芯片的先进性？当然是依据芯片的功能啊，这个还需要解释吗？

芯片的功能越多，越强大，芯片就自然而然就越先进啊。举一个很简单的例子就知道了.

华为海思的麒麟芯片9000，肯定是要比高通的骁龙芯片630先进很多。

首先麒麟芯片9000，它是支持5G功能，骁龙芯片630它就不支持。就凭这一点，就可以说明麒麟芯片9000比骁龙630要先进。

其次麒麟芯片9000，它的生产制造工艺采用的是最先进的5纳米，骁龙芯片630呢？则只有14纳米工艺。一个是5纳米，一个是14纳米，你说哪个芯片更先进？

这还需要分析判断吗？当然是麒麟芯片9000啊。

是的，判断芯片是否先进，它的指标有很多。比如刚刚提到的芯片功能和芯片的工艺，除了这些，还有芯片的功耗、芯片的运行速度以及芯片的开发水平等等。

在这些指标中，有一个指标比较特殊，它就是芯片的生产制造工艺。芯片的功能、芯片的功耗和芯片的运行速度，这些指标都是可以通过工程师不断地去改善，去提高。

唯独芯片的生产制造工艺，它是很难实现不断地去提高的。现在芯片的工艺，已经被台积电由原来的14纳米提高到了7纳米，再从7纳米提高到了5纳米。

芯片制造

5纳米，已经是当今最领先的芯片制造工艺。未来呢？未来还有更先进的芯片制造工艺吗？是3纳米还是2纳米？还是多少？

显然，

3纳米与2纳米，现在还没有成功量产，只是芯片哥对未来的预测。

芯片哥为什么会这么说呢？为什么说芯片的制造工艺不可能一直小下去呢？为什么它有物理极限呢？两个理由

1）光的频率

2）硅原子

光的频率

芯片的制造，离不开一个关键的设备，光刻机。没有光刻机，所有开发设计的芯片，无论功能有多先进，也无论功耗有多低，它都只能停留在图纸上，无法被生产制造出来。

现在国人为什么那么关注芯片这个话题？还不是因为我们在芯片问题上，被别人卡住脖子了。。是因为我们缺乏芯片的设计能力吗？不是，华为就是很好的例子。

是因为我们缺乏光刻机，尤其是荷兰的ASML光刻机，我们就算是拿着钱去买，荷兰人也不怎么情愿卖给我们，你说气人不？

荷兰ASML光刻机

光刻机从起初的UV光刻机水平，逐步提升到了DUV光刻机水平，再发展到现在的EUV光刻机水平。用中文来描述，UV光刻机就是紫外线光刻机，DUV光刻机就是深紫外线光刻机，EUV光刻机就是极深紫外线光刻机。

对光学稍微有点了解的小伙伴，都很清楚，光的颜色越靠近红色，它的频率越低；越靠近紫色，它的频率就越高。光的速度是一个常数，频率越高，也就是波长越小。

光谱

我们可以发现，EUV光刻机采用的光频率是极深紫外线频率，其对应的波长大约为10~15纳米；DUV光刻机采用的光频率是深紫外线频率，其对应的波长大约为200纳米；UV光刻机采用的光频率是紫外线频率，其对应的波长大约为360纳米。

也就是说，光刻机越先进，需要的光频率越高。

光的频率，它是一个物理客观存在的数值，是很难通过人为的手段去改变提高的。

由于光的频率，现在已经采用了极深紫外线频率，很难再找到更高频率的光线，所以光刻机的水平也很难再被提升。

光刻机技术得不到提升，直接导致芯片的制造工艺就得不到有效地提升，也就是芯片的制造工艺不可能由14纳米、7纳米、5纳米、3纳米、2纳米这样一直小下去，它是有物理极限的。

硅原子

在第三代半导体材料被大规模应用之前，现在市场上主流的芯片，仍是基于硅这个材料研发制造的。

硅，在元素周期表，它的序号是14，硅原子的直径大约为0.22nm.

硅原子

我们都知道，芯片的内部是由数以亿计的晶体管构成的。通过光刻机，将这些数以亿计的晶体管光刻在硅晶圆上，然后通过封装测试，最后才形成一个完整的芯片。

在同一个硅晶圆上，晶体管的数量越多，芯片的功能就越先进。只是在同一个硅晶圆上，晶体管的数量越多，晶体管的体积就会被要求做得越小。

硅晶圆

但晶体管做得再小，总不可能比晶圆的硅原子还小吧。在理论上，这显然是不可能的。

硅原子多大？

芯片哥刚刚列举出了它的数值。硅原子直径大约为0.22纳米。

也就是说，芯片的制造工艺是不可能超过0.22纳米。这个也是它的一个物理极限。

写到最后，小伙伴们是不是很清楚了，因为两个因素

一个是制造芯片需要的光刻机设备。光刻机采用光的频率，它是有物理极限的。光的频率是不可能被要求做到无限高的。

另一个是制造芯片需要的硅材料。芯片内部的晶体管，做得再小，是不可能比硅原子还小的，它是有物理极限的。

因此芯片的制造工艺它是有物理极限的。不可能像之前的那样，由14纳米、7纳米、5纳米、3纳米、2纳米这样一直小下去的，它肯定会停留在某个数值上的，直到无法被我们突破为止。

说道这，肯定有小伙伴问芯片哥，难道芯片的工艺，未来就没有发展了吗？就没有了新的突破了吗？就一直停留在现在的这个5纳米、3纳米水平吗？

这是不对滴。

想要继续在芯片的制造工艺有所突破，无非是改进类似于光刻机这样的设备性能，亦或是在芯片的材料方面去突破。

现在知道为什么我们国家在大力提倡，发展第三代半导体技术的原因了吧。就是想在芯片方面，突破国外的卡脖子封锁，实现我们中国在技术上占据更多的全球话语权。

本文由【芯片哥】原创撰写，请持续关注芯片哥，后面会定期更新有关于电子元器件和芯片，包括一些电子产品项目开发案例的相关内容。

#芯片# #光刻机# #半导体新星训练营#

突破制程工艺：为什么说7nm是物理极限，美国的1nm是什么概念？

适用了20余年的摩尔定律近年逐渐有了失灵的迹象。从芯片的制造来看，7nm就是硅材料芯片的物理极限。不过据外媒报道，劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限，采用碳纳米管复合材料将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm。那么，为何说7nm就是硅材料芯片的物理极限，碳纳米管复合材料又是怎么一回事呢？面对美国的技术突破，中国应该怎么做呢？

image credit：extremetch

| XX nm制造工艺是什么概念？

芯片的制造工艺常常用90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm来表示，比如Intel最新的六代酷睿系列CPU就采用Intel自家的14nm制造工艺。现在的CPU内集成了以亿为单位的晶体管，这种晶体管由源极、漏极和位于他们之间的栅极所组成，电流从源极流入漏极，栅极则起到控制电流通断的作用。

而所谓的XX nm其实指的是，CPU的上形成的互补氧化物金属半导体场效应晶体管栅极的宽度，也被称为栅长。

栅长越短，则可以在相同尺寸的硅片上集成更多的晶体管——Intel曾经宣称将栅长从130nm减小到90nm时，晶体管所占得面积将减小一半；在芯片晶体管集成度相当的情况下，使用更先进的制造工艺，芯片的面积和功耗就越小，成本也越低。

栅长可以分为光刻栅长和实际栅长，光刻栅长则是由光刻技术所决定的。 由于在光刻中光存在衍射现象以及芯片制造中还要经历离子注入、蚀刻、等离子冲洗、热处理等步骤，因此会导致光刻栅长和实际栅长不一致的情况。另外，同样的制程工艺下，实际栅长也会不一样，比如虽然三星也推出了14nm制程工艺的芯片，但其芯片的实际栅长和Intel的14nm制程芯片的实际栅长依然有一定差距。

| 为什么说7nm是物理极限？

之前解释了缩短晶体管栅极的长度可以使CPU集成更多的晶体管或者有效减少晶体管的面积和功耗，并削减CPU的硅片成本。正是因此，CPU生产厂商不遗余力地减小晶体管栅极宽度，以提高在单位面积上所集成的晶体管数量。不过这种做法也会使电子移动的距离缩短，容易导致晶体管内部电子自发通过晶体管通道的硅底板进行的从负极流向正极的运动，也就是漏电。而且随着芯片中晶体管数量增加，原本仅数个原子层厚的二氧化硅绝缘层会变得更薄进而导致泄漏更多电子，随后泄漏的电流又增加了芯片额外的功耗。

为了解决漏电问题，Intel、IBM等公司可谓八仙过海，各显神通。比如Intel在其制造工艺中融合了高介电薄膜和金属门集成电路以解决漏电问题；IBM开发出SOI技术——在在源极和漏极埋下一层强电介质膜来解决漏电问题；此外，还有鳍式场效电晶体技术——借由增加绝缘层的表面积来增加电容值，降低漏电流以达到防止发生电子跃迁的目的......

上述做法在栅长大于7nm的时候一定程度上能有效解决漏电问题。不过，在采用现有芯片材料的基础上，晶体管栅长一旦低于7nm，晶体管中的电子就很容易产生隧穿效应，为芯片的制造带来巨大的挑战。针对这一问题，寻找新的材料来替代硅制作7nm以下的晶体管则是一个有效的解决之法。

| 1nm制程晶体管还处于处于实验室阶段

碳纳米管和近年来非常火爆的石墨烯有一定联系，零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯都属于碳纳米材料家族，并且彼此之间满足一定条件后可以在形式上转化。碳纳米管是一种具有特殊结构的一维材料，它的径向尺寸可达到纳米级，轴向尺寸为微米级，管的两端一般都封口，因此它有很大的强度，同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。

碳纳米管和石墨烯在电学和力学等方面有着相似的性质，有较好的导电性、力学性能和导热性，这使碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面有着良好的应用前景。此外，掺杂一些改性剂的碳纳米管复合材料也受到人们的广泛关注，例如在石墨烯/碳纳米管复合电极上添加CdTe量子点制作光电开关、掺杂金属颗粒制作场致发射装置。本次外媒报道的劳伦斯伯克利国家实验室将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm，其晶体管就是由碳纳米管掺杂二硫化钼制作而成。不过这一技术成果仅仅处于实验室技术突破的阶段，目前还没有商业化量产的能力。至于该项技术将来是否会成为主流商用技术，还有待时间检验。

技术进步并不一定带来商业利益

在过去几十年中，由于摩尔定律在确实发挥作用，使中国半导体制造技术在追赶西方的过程中始终被国外拉出一段距离。而近年来，芯片制造技术进步放慢，摩尔定律出现失效的客观现象，对于中国半导体产业追赶西方来说是一大利好。摩尔定律失效，一方面既有技术因素——先进光刻机、刻蚀机等设备以及先进芯片制造技术研发技术难度大、资金要求高......另一方面也有商业上的因素。

在制造工艺到达28nm以前，制造工艺的每一次进步都能使芯片制造厂商获得巨额利润。不过，在制造工艺达到14/16nm之后，技术的进步反而会使芯片的成本有所上升——在Intel最先研发出14nm制造工艺时，曾有消息称其掩膜成本为3亿美元。当然，随着时间的推移和台积电、三星掌握14/16nm制程，现在的价格应该不会这么贵。但英特尔正在研发的10nm制程，根据Intel官方估算，掩膜成本至少需要10亿美元。新制造工艺之所以贵，一方面是贵在新工艺高昂的研发成本和偏低的成品率，另一方面也是因为光刻机、刻蚀机等设备的价格异常昂贵。因此，即便先进制造工艺在技术上成熟了，但由于过于高昂的掩膜成本，会使客户在选择采用最先进制造工艺时三思而后行，举例来说，如果10nm制造工艺芯片的产量低于1000万片，那么光分摊到每一片芯片上的掩膜成本就高达100美元，按国际通用的低盈利芯片设计公司的定价策略8：20定价法——也就是硬件成本为8的情况下，定价为20，别觉得这个定价高，其实已经很低了，Intel一般定价策略为8：35，AMD历史上曾达到过8：50......即便不算晶片成本和封测成本，这款10nm CPU的售价也不会低于250美元。同时，相对较少的客户会导致很难用巨大的产量分摊成本，并最终使企业放缓对先进制造工艺的开发和商业应用。也正是因此，28nm制造工艺被部分业内人士认为是非常有活力的，而且依旧会被持续使用数年。

| 中国应脚踏实地解决现实问题

对于劳伦斯伯克利国家实验室将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm，国人不必将其看得太重，因为这仅仅是一项在实验室中的技术突破，哪怕退一步说，该项技术已经成熟且可以商业化，由于其在商业化上的难度远远大于Intel正在研发的10nm制造工艺——其成本将高昂地无以复加，这会使采用该技术生产的芯片价格居高不下，这又会导致较少客户选择该项技术，进而恶性循环......从商业因素考虑，大部分IC设计公司恐怕依旧会选择相对成熟，或者称为相对“老旧”的制造工艺。

对于现在的中国半导体产业而言，与其花费巨大人力物力财力去探索突破7nm物理极限，还不如将有限的人力物力财力用于完善28nm制程工艺的IP库和实现14nm制造工艺的商业化量产。毕竟，对于国防安全领域而言，现有的制造工艺已完全够用（美国的很多军用芯片都还是65nm的），对于商业芯片而言，很多芯片对制程的要求并不高，像工控芯片、汽车电子、射频等都在使用在一些硬件发烧友看起来显得老旧的制程，而对于PC和手机、平板电脑的CPU、GPU而言，14nm/16nm的制造工艺已经能将性能和功耗方面的需求平衡的很好。笔者认为，相对于耗费大量资源去研发新材料突破7nm物理极限，还不如脚踏实地地解决现实问题。

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