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            納米芯片和納米制程

            編輯:中奧載帶 時間: 2020-10-27 09:49 瀏覽量: 17


            納米制程是什么?

            三星以及臺積電在先進半導體制程打得相當火熱,彼此都想要在晶圓代工中搶得先機以爭取訂單,幾乎成了14納米與16納米之爭,然而14納米與16納米這兩個數字的究竟意義為何,指的又是哪個部位?而在縮小制程后又將來帶來什么好處與難題?以下我們將就納米制程做簡單的說明。


            納米到底有多細微?

            在開始之前,要先了解納米究竟是什么意思。在數學上,納米是0.000000001米,但這是個相當差的例子,畢竟我們只看得到小數點后有很多個零,卻沒有實際的感覺。如果以指甲厚度做比較的話,或許會比較明顯。

            用尺規實際測量的話可以得知指甲的厚度約為0.0001米(0.1 毫米),也就是說試著把一片指甲的側面切成10萬條線,每條線就約等同于1納米,由此可略為想像得到1納米是何等的微小了。

            知道納米有多小之后,還要理解縮小制程的用意,縮小電晶體的最主要目的,就是可以在更小的芯片中塞入更多的電晶體,讓芯片不會因技術提升而變得更大;其次,可以增加處理器的運算效率;再者,減少體積也可以降低耗電量;最后,芯片體積縮小后,更容易塞入行動裝置中,滿足未來輕薄化的需求。

            再回來探究納米制程是什么,以14納米為例,其制程是指在芯片中,線最小可以做到14納米的尺寸,下圖為傳統電晶體的長相,以此作為例子??s小電晶體的最主要目的就是為了要減少耗電量,然而要縮小哪個部分才能達到這個目的?左下圖中的L就是我們期望縮小的部分。藉由縮小閘極長度,電流可以用更短的路徑從Drain端到Source端。


            納米芯片


            此外,電腦是以0和1作運算,要如何以電晶體滿足這個目的呢?做法就是判斷電晶體是否有電流流通。當在Gate端(綠色的方塊)做電壓供給,電流就會從Drain端到Source端,如果沒有供給電壓,電流就不會流動,這樣就可以表示1和0。至于為什么要用0和1作判斷,有興趣的話可以去查布林代數,我們就是使用這個方法作成電腦的。


            尺寸縮小有其物理限制

            不過,制程并不能無限制的縮小,當我們將電晶體縮小到20納米左右時,就會遇到量子物理中的問題,讓電晶體有漏電的現象,抵銷縮小L時獲得的效益。作為改善方式,就是導入FinFET(Fin Field-Effect Transistor,鰭式場效應晶體管)這個概念,如右上圖。在Intel以前所做的解釋中,可以知道藉由導入這個技術,能減少因物理現象所導致的漏電現象。

            更重要的是,藉由這個方法可以增加Gate端和下層的接觸面積。在傳統的做法中(左上圖),接觸面只有一個平面,但是采用FinFET這個技術后,接觸面將變成立體,可以輕易的增加接觸面積,這樣就可以在保持一樣的接觸面積下讓Source-Drain端變得更小,對縮小尺寸有相當大的幫助。

            最后,則是為什么會有人說各大廠進入10納米制程將面臨相當嚴峻的挑戰,主因是1顆原子的大小大約為0.1納米,在10納米的情況下,一條線只有不到100顆原子,在制作上相當困難,而且只要有一個原子的缺陷,像是在制作過程中有原子掉出或是有雜質,就會產生不知名的現象,影響產品的良率。

            如果無法想像這個難度,可以做個小實驗。在桌上用100個小珠子排成一個10×10的正方形,并且剪裁一張紙蓋在珠子上,接著用小刷子把旁邊的的珠子刷掉,最后使他形成一個10×5的長方形。這樣就可以知道各大廠所面臨到的困境,以及達成這個目標究竟是多么艱巨。

            隨著三星以及臺積電在近期將完成14納米、16納米FinFET的量產,兩者都想爭奪Apple下一代的iPhone芯片代工,我們將看到相當精彩的商業競爭,同時也將獲得更加省電、輕薄的手機,要感謝摩爾定律所帶來的好處呢。



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