相關文章

2005ac6a96510340e1c2ecda2a234bf6 三星以及台積電在先進半導體製程打得相當火熱,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 奈米與 16 奈米之爭,然而 14 奈米與 16 奈米這兩個數字的究竟意義為何,指的又是哪個部位?而在縮小製程後又將來帶來什麼好處與難題?以下我們將就奈米製程做簡單的說明。

奈米到底有多細微?

在開始之前,要先了解奈米究竟是什麼意思。在數學上,奈米是 0.000000001 公尺,但這是個相當差的例子,畢竟我們只看得到小數點後有很多個零,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 公尺(0.1 毫米),也就是說試著把一片指甲的側面切成 10 萬條線,每條線就約等同於 1 奈米,由此可略為想像得到 1 奈米是何等的微小了。

知道奈米有多小之後,還要理解縮小製程的用意,縮小電晶體的最主要目的,就是可以在更小的晶片中塞入更多的電晶體,讓晶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;最後,晶片體積縮小後,更容易塞入行動裝置中,滿足未來輕薄化的需求。

再回來探究奈米製程是什麼,以 14 奈米為例,其製程是指在晶片中,線最小可以做到 14 奈米的尺寸,下圖為傳統電晶體的長相,以此作為例子。縮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(有興趣的話可以利用 Google 以 MOSFET 搜尋,會有更詳細的解釋)。

 

 (Source:www.slideshare.net

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。(至於為什麼要用 0 和 1 作判斷,有興趣的話可以去查布林代數,我們是使用這個方法作成電腦的)

 

尺寸縮小有其物理限制

不過,製程並不能無限制的縮小,當我們將電晶體縮小到 20 奈米左右時,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(Tri-Gate)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。

(Source:www.slideshare.net

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,但是採用 FinFET(Tri-Gate)這個技術後,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。

最後,則是為什麼會有人說各大廠進入 10 奈米製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 奈米,在 10 奈米的情況下,一條線只有不到 100 顆原子,在製作上相當困難,而且只要有一個原子的缺陷,像是在製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,並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,最後使他形成一個 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麼艱鉅。

隨著三星以及台積電在近期將完成 14 奈米、16 奈米 FinFET 的量產,兩者都想爭奪 Apple 下一代的 iPhone 晶片代工,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。

(首圖來源:Flickr/Santi CC BY 2.0) 

 

使用 Facebook 留言

發表回應

謹慎發言,尊重彼此。按此展開留言規則