近日，多款采取4nm制程芯片的手机，被用户吐槽存在发热量高和功耗高档方面的问题。据理解，这次涉嫌功耗过热的三款顶级手机芯片，分别是高通骁龙8 Gen 1、三星Exynos 2200、联发科天玑9000，均为目前各厂商高端芯片的代表。同时，天玑9000的生产商为台积电，Exynos 2200和骁龙 8 Gen 1的生产商三星，为排名前两位的芯片代工制造商。
去年年初，5nm芯片就因发热问题被频频吐槽，如今4nm芯片再度陷入同样的困境：前辈工艺制程芯片存在泄电流问题，导致发热量过高，彷佛已经成为一种“魔咒”，是芯片制程工艺最大障碍之一。芯片的工艺制程仍在不断延伸，未来如何有效破解泄电“魔咒”已经成为全体芯片制造领域的努力方向。
短沟道效应带来的寻衅
一样平常情形下，根据登纳徳缩放比例定律，随着芯片尺寸的缩小，所需的电压和电流也会低落，由于功耗会受电压和电流的影响，当制程工艺提升、电压和电流随之低落时，其芯片产生的功耗也会降落。台积电表示，与7nm工艺比较，同样性能下5nm工艺的功耗降落30%，同样的功耗下则性能提升了15%。
然而，随着芯片制程进入5nm，却频频涌现功耗过高的问题。北京超弦存储器研究院实行副院长、北京航空航天算夜学兼职博导赵超认为，短沟道效应是造成4nm、5nm等前辈工艺涌现功耗问题的紧张缘故原由之一，也成为了前辈制程发展中最大的阻碍。
半导系统编制造中，集成电路的尺寸随着摩尔定律的发展而持续缩小，沟道长度也相应地缩短，这就导致了沟道管中的S和D（源和漏）的间隔越来越短。因此栅极对沟道的掌握能力变差，这就意味着栅极电压夹断沟道的难度变大，即产生短沟道效应，从而涌现严重的电流透露（泄电）征象，终极让芯片的发热和耗电失落控。
“5nm、4nm芯片所采取的都是FinFET（鳍式场效应晶体管）构造。FinFET构造在芯片制程进入28nm后，比较较于平面MOSFET器件构造，具有更强的栅极掌握能力，FinFET构造可通过增加栅极与沟道的打仗面积，来增强对导电沟道的掌握。沟道打仗面积的增长，可以从一定程度上缓解短沟道效应，从而将芯片制程连续延伸。然而，随着芯片制程逐渐延伸到5nm及5nm以下，采取FinFET构造前辈制程的芯片，也涌现了短沟道效益造成泄电征象。这也与FinFET本身的构造有关。FinFET所采取的是三面栅的构造，并非四面环抱式的构造，个中一个方向没有栅极的包裹。随着芯片制程的不断减小，FinFET三面栅的构造对付泄电的掌握能力也在逐渐减弱，造成芯片再次涌现功耗问题。”赵超表示。
如何破解泄电“魔咒”？
未来芯片制程仍将连续向3nm乃至2nm延伸，人们也在积极考虑如何办理泄电流所导致的功耗与发热问题，包括改换新材料、采取新架构——GAA（环抱式栅极）构造等，以期冲破长久以来存在的泄电“魔咒”。
在材料方面，赵超先容，采取具有高介电常数的栅介质材料替代原来的二氧化硅材料，可有效办理短沟道效应造成栅极泄电的问题。而二氧化铪属于高介电常数的材料，以二氧化铪来替代二氧化硅作为栅介质材料，可有效提高介电常数，减少泄电情形，并有效增加电容荷电的能力。
同时，随着芯片制程的延伸，采取四面环栅构造的GAA技能逐渐受到更多地关注。复旦大学微电子学院副院长周鹏表示，相较于三面围栅的FinFET构造，GAA技能的四面环栅构造可以更好地抑制泄电流的形成以及增大驱动电流，进而更有利于实现性能和功耗之间的有效平衡。因此，GAA技能在5nm之后更小的制程中，更受到业界的普遍认可和青睐。
然而，无论是新材料，还是GAA技能，都难以在短韶光内办理问题。有研究职员创造，若想在碳纳米管晶体管中利用二氧化铪来替代二氧化硅成为栅极电介质材料，二氧化铪同样难以在所需的薄层中形成高介电常数的电介质。
GAA构造的量产实现同样困难重重。据理解，近期三星采取GAA构造打造的3nm芯片，良率仅在10%~20%之间。而台积电在其第一代3nm制程中仍将保持采取FinFET工艺。
“在半导体领域当中，任何一种技能的转换或更迭，每每须要经历多年的试错和改进，GAA构造虽然在5nm以下的制程中，具有较为明显的上风，但其终极能否实现预期的高性能和低功耗，还取决于其制程中所面临的技能难题能否被逐一占领。”周鹏说。
4nm并非噱头
对付这次4nm芯片涌现功耗问题，也有消费者质疑，4nm是否只是一个商业噱头？4nm与5nm技能实则并无太大差异，否则为何高功耗、高发热的问题依然如故？
一样平常而言，对付芯片工艺的名称数字，因此0.7倍为节奏演进的，例如，14nm工艺之后，完全的工艺迭代应该是10nm（14nm x0.7≈10nm），10nm之后是7nm，7nm之后是5nm。若按此规则演进，5nm后究竟该当是4nm还是3nm，在四舍五入规则下彷佛并不明确。但在代工厂的约定俗成下，5nm的完全工艺迭代应为3nm。因此，4nm应该属于5nm和3nm的过渡工艺，其角色定位与此前推出的8nm（10nm和7nm的过渡工艺）、6nm（7nm和5nm的过渡工艺）类似。在各代工厂3nm工艺纷纭延后的情形下，4nm涌现的代价彷佛在于补充这一韶光内的市场空缺。
然而，这并不虞味着4nm工艺等同于5nm。4nm工艺虽然不属于5nm工艺的“完全迭代”，但也是“同代演进”。台积电曾承诺，其最新4nm工艺，比5nm的性能提升11%，能效提高22%。
对此有专家阐明，造成4nm工艺芯片涌现功耗问题的成分有很多，难以一概而论。架构、器件等都是会影响芯片终极性能的成分。同样被称为4nm工艺芯片，台积电和三星的芯片工艺细节也大为不同。随着摩尔定律的不断演进，芯片尺寸的缩小幅度已经非常有限，这已经不能成为衡量芯片工艺制程演进的唯一标准。
作者丨沈丛
编辑丨连晓东
美编丨马利亚
