臺積電/英特爾/GF/三星紛紛進(jìn)入10nm芯片領(lǐng)域 芯片的未來在哪？

2016年12月7日，采用三星10nm工藝制造的高通驍龍835跑分遭到曝光。就在一天后，即2016年12月8日，采用臺積電10nm工藝制造的華為麒麟970也遭到媒體曝光。此前，英特爾宣稱，將于2017年發(fā)布采用自家10nm工藝制造的移動芯片，格羅方德也聲稱自研10nm工藝。

四家芯片巨頭紛紛進(jìn)入10nm芯片領(lǐng)域，預(yù)示著芯片界的競爭程度提升到新等級。那么，芯片界的這場“戰(zhàn)爭”會結(jié)束嗎，芯片的未來又在哪里呢？

芯片集成度仍將持續(xù)提高

1995年起，芯片制造工藝從0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.15μm、0.13μm，發(fā)展到90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、14nm，再到即將到來的10nm，芯片的制程工藝不斷發(fā)展，集成度不斷提高，這一趨勢還將持續(xù)下去。

2016年12月8日，臺積電聲稱，將在2017年初開始7nm的設(shè)計(jì)定案，并在2018年初量產(chǎn)，對5nm、3nm和2nm工藝的相關(guān)投資工作也已開始。此前，三星購買了ASML的NXE3400光刻機(jī)，為生產(chǎn)7nm芯片作準(zhǔn)備，并計(jì)劃在2018年上半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

雖然在硅晶體管的尺寸縮小到一定程度時會產(chǎn)生量子效應(yīng)，導(dǎo)致晶體管的特性難以控制。不過，短期內(nèi)，縮減制程尺寸，提高芯片集成度仍是芯片廠商推動芯片向前發(fā)展的方向，7nm、5nm、3nm、2nm工藝將一步步加劇芯片廠商之間的競爭。

新技術(shù)將得到應(yīng)用

除了FinFIT技術(shù)外，三星、英特爾等芯片廠商近些年紛紛投入到FD-SOI（全耗盡絕緣體硅）工藝、硅光子技術(shù)、3D堆疊技術(shù)等的研究中，以求突破FinFET的制造極限，擁有更多的主動權(quán)。各種新技術(shù)中，猶以3D堆疊技術(shù)為研究重點(diǎn)。

3D堆疊技術(shù)通過在存儲層上疊加邏輯層，將芯片的結(jié)構(gòu)由平面型升級成立體型，大大縮短互連線長度，使得數(shù)據(jù)傳輸更快，所受干擾更小。

目前，這樣的3D技術(shù)在理論層面已有較大進(jìn)展，并在實(shí)踐中得到初步應(yīng)用。2013年，三星推出了3D圓柱形電荷捕獲型柵極存儲單元結(jié)構(gòu)技術(shù)，垂直堆疊可達(dá)24層。同年，臺積電與Cadence合作開發(fā)出了3D-IC的參考流程。2015年，英特爾和美光合作推出了3D XPoint技術(shù)，使用該技術(shù)的存儲芯片目前已經(jīng)量產(chǎn)。

新技術(shù)的誕生，為當(dāng)下芯片開辟了全新的發(fā)展領(lǐng)域，這也勢必加劇芯片廠商的競爭程度。

新材料將進(jìn)入芯片領(lǐng)域

目前，制造芯片的原材料以硅為主。不過，硅的物理特性限制了芯片的發(fā)展空間。2015年4月，英特爾宣布，在達(dá)到7nm工藝之后將不再使用硅材料。

III-V族化合物、石墨烯等新材料為突破硅基芯片的瓶頸提供了可能，成為眾多芯片企業(yè)研究的焦點(diǎn)，尤其是石墨烯。

相比硅基芯片，石墨烯芯片擁有極高的載流子速度、優(yōu)異的等比縮小特性等優(yōu)勢。IBM表示，石墨烯中的電子遷移速度是硅材料的10倍，石墨烯芯片的主頻在理論上可達(dá)300GHz，而散熱量和功耗卻遠(yuǎn)低于硅基芯片。麻省理工學(xué)院的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯可使芯片的運(yùn)行速率提升百萬倍。

制約石墨烯芯片的最大因素是石墨烯的成本問題，不過隨著制作工藝已逐漸成熟，石墨烯的成本呈下降趨勢，石墨烯芯片量產(chǎn)的日子也不會太遠(yuǎn)。2011年底，寧波墨西科技建成年產(chǎn)300噸的石墨烯生產(chǎn)線，每克石墨烯銷售價格只要1元。2016年4月，華訊方舟做出了石墨烯太赫茲芯片。

新材料為芯片的發(fā)展提供了全新的方向，具有極大的潛力，已成為芯片廠商把控未來趨勢、占領(lǐng)制高點(diǎn)的必爭領(lǐng)域，而這也將使得芯片廠商之間的競爭日益復(fù)雜。

從芯片誕生至今，芯片領(lǐng)域的創(chuàng)新從未停止，各廠商之間的競爭也從未停歇。應(yīng)變硅技術(shù)成就了90nm時代，一種柵介質(zhì)新材料成就了45nm時代，三柵極晶體管成就了22nm時代，F(xiàn)inFET技術(shù)成就了當(dāng)下的芯片時代。

未來， 3D堆疊等新技術(shù)、石墨烯等新材料將持續(xù)推動芯片領(lǐng)域的創(chuàng)新與發(fā)展，芯片廠商之間的競爭領(lǐng)域也將延伸，從智能手機(jī)擴(kuò)展到互聯(lián)網(wǎng)汽車、VR、人工智能等，競爭將日趨復(fù)雜和激烈。人類對科學(xué)無盡的探索，將使得芯片行業(yè)的這場“戰(zhàn)爭”繼續(xù)下去。