【收錄專題 |「半導(dǎo)體芯片」中國(guó)芯片技術(shù)_芯片設(shè)計(jì)/制造公司企業(yè)廠商】

　　近日，首次采用臺(tái)積電3nm制程的蘋果iPhone15 Pro新機(jī)陷入A17芯片過熱爭(zhēng)議。在此前，有消息稱臺(tái)積電3納米良率僅55%，也因此臺(tái)積電將不會(huì)按照標(biāo)準(zhǔn)晶圓價(jià)格向蘋果收費(fèi)，蘋果僅向臺(tái)積電支付可用芯片的費(fèi)用。此外，有消息稱，受到3nm良率的影響，高通即將發(fā)布的驍龍8 Gen 3芯片，將不會(huì)全部使用3nm制程，部分產(chǎn)品依舊采用4nm制程。

　　第一個(gè)吃螃蟹的人，一定會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)。隨著芯片制程不斷縮小，芯片良率低以及發(fā)熱的問題愈見凸顯。使得原本需求火熱的先進(jìn)制程芯片，卻因?yàn)榘l(fā)熱問題變得有些“炙手可熱”。先進(jìn)制程是否將不再成為手機(jī)廠商的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)?先進(jìn)制程頻頻發(fā)熱在此之前，先進(jìn)制程芯片也頻頻出現(xiàn)發(fā)熱問題。大致從5nm工藝開始，手機(jī)芯片普遍出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。彼時(shí)，三星獵戶座1080、華為麒麟9000、驍龍888和蘋果的A14芯片都采取了5nm工藝制程，但卻不約而同地出現(xiàn)了發(fā)熱的現(xiàn)象。在此后的4nm工藝中，高通驍龍8 Gen 1、三星Exynos 2200、聯(lián)發(fā)科天璣9000等采用4nm工藝制程的手機(jī)，也再度因?yàn)榘l(fā)熱現(xiàn)象引發(fā)爭(zhēng)議。依照摩爾定律規(guī)則，芯片制程縮小，晶體管密度增加，功耗也會(huì)隨之減少。然而，隨著芯片制程愈發(fā)接近物理極限，芯片的功耗為何卻出現(xiàn)不降反增的趨勢(shì)?北京超弦存儲(chǔ)器研究院執(zhí)行副院長(zhǎng)、北京航空航天大學(xué)兼職博導(dǎo)趙超告訴《中國(guó)電子報(bào)》記者，先進(jìn)制程之所以會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，是短溝道效益所引起的。“半導(dǎo)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(zhǎng)度也相應(yīng)地縮短，這就導(dǎo)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(duì)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(yīng)，從而出現(xiàn)嚴(yán)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。”趙超說。新結(jié)構(gòu)帶來新問題趙超表示，5nm、4nm芯片所采用的都是FinFET(鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管)結(jié)構(gòu)。FinFET所采用的是三面柵的結(jié)構(gòu)，并非像GAA一樣的四面環(huán)繞式的結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)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(jié)構(gòu)對(duì)于漏電的控制能力也在逐漸減弱，造成芯片出現(xiàn)功耗問題。然而，采用了四面環(huán)繞式GAA架構(gòu)的三星，雖然在一定程度上緩解了短溝道效益，但是卻并沒有如愿大幅度提升芯片的良率。據(jù)了解，采用GAA架構(gòu)的三星3nm工藝芯片，首批的良率只有10%～20%，而如今的良率也僅僅只有50%～60%。業(yè)內(nèi)人士透露，三星若想獲得高通等大客戶的3nm訂單，良率至少要達(dá)到70%以上。

　　三星通過改變芯片架構(gòu)實(shí)現(xiàn)功耗的降低和性能的提升可以推算，未來芯片進(jìn)入到2nm以及更小制程后，芯片的發(fā)熱以及功耗問題也將難以避免。軟件成手機(jī)廠商發(fā)力重點(diǎn)由于先進(jìn)制程頻頻出現(xiàn)問題，使得很多手機(jī)廠商開始 “另辟蹊徑”，試圖通過其他方式來提升芯片的性能，在這之中，軟件成為了諸多手機(jī)廠商的關(guān)注焦點(diǎn)。對(duì)于手機(jī)而言，如果把芯片比作一粒種子，那么軟件就是土壤，如果軟件能夠針對(duì)芯片硬件的特性進(jìn)行優(yōu)化，就像土壤為種子提供最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，那么芯片便能發(fā)揮出更大的功效。因此，諸多手機(jī)廠商也開始嘗試通過優(yōu)化自家的軟件系統(tǒng)，從而更好地發(fā)揮自研芯片的性能，提供更加流暢、高效的用戶體驗(yàn)。例如，蘋果即將發(fā)布iOS 17.0.3版本，便是想通過軟件的升級(jí)，從而優(yōu)化設(shè)備的溫度表現(xiàn)，進(jìn)而改善手機(jī)的發(fā)熱問題;華為的鴻蒙系統(tǒng)與麒麟芯片的深度結(jié)合，也是促使Mate 60 Pro的性能超越傳統(tǒng)預(yù)期的主要方式之一。先進(jìn)制程依舊是競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)然而，業(yè)內(nèi)專家莫大康向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示，軟件生態(tài)對(duì)于手機(jī)而言固然重要，但是并不能完全替代通過芯片制程縮小帶來的性能提升。此外，盡管芯片制程的不斷縮小，給芯片良率帶來了很多困難，但是先進(jìn)制程的市場(chǎng)熱度仍舊只增不減。臺(tái)積電3nm工藝制造的12英寸晶圓的報(bào)價(jià)高達(dá)3萬美元，是7nm工藝的3倍之多。預(yù)計(jì)到2025年之際，3nm制程市場(chǎng)的產(chǎn)值將會(huì)高達(dá)255億美元。

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　　“采用新產(chǎn)品、新技術(shù)，是幫助企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立足的關(guān)鍵因素之一，但這同樣也需要企業(yè)承擔(dān)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)本身就是賭，誰也無法預(yù)測(cè)是否能賭成功。但是蘋果等資本力量雄厚的企業(yè)，也有賭的資本，所以他們并不怕試錯(cuò)。此外，新技術(shù)同樣也需要時(shí)間去試錯(cuò)和迭代。雖然，目前3nm先進(jìn)制程的良率不高，但是并不意味著未來的良率不會(huì)提升。隨著技術(shù)不斷成熟，先進(jìn)制程芯片的現(xiàn)有問題也會(huì)被一一解決，只是由于制程不斷縮小，技術(shù)難度越來越大，技術(shù)的磨合期也會(huì)相應(yīng)變長(zhǎng)。”莫大康向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示。臺(tái)積電、三星、英特爾中芯國(guó)際的芯片制程發(fā)展線有消息稱，在臺(tái)積電成功試產(chǎn)2nm的幾乎同一時(shí)間，蘋果便成為了首個(gè)客戶。與此同時(shí)，高通也在考慮在未來使用臺(tái)積電的2nm工藝生產(chǎn)其芯片。先進(jìn)制程依舊是手機(jī)廠商眼中的“香餑餑”。芯片制程的延伸和軟件系統(tǒng)的升級(jí)，也將成為未來手機(jī)技術(shù)發(fā)展的“兩條腿”，二者缺一不可。

　　作者：沈叢　　來源：中國(guó)電子報(bào)、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)