爲什麼先進半導體工藝要靠提高密度,而不是增大面積?

為什麼先進半導體工藝要靠提高密度,而不是增大面積?

面積越大的芯片蝕刻時上面有壞點變成不良片的可能性就越大,實際上大型芯片的不良率遠比小芯片高,所以廠商們都想放設法在儘可能小的芯片裡堆更多的東西,那隻能升級工藝了。

首先呢,廠商是絕對會增加CPU的面積,以Intel現在的處理器為例,四核的Core i3系列核心面積為126mm²,六核的Core i5/i7核心面積為149.6mm²,而高端旗艦X299平臺的10核以下(Core i9-7900X以下)產品核心面積為322mm²,18核以下(Core i9-7920X到Core i9-7980X)的產品核心大小為484mm²,服務器用自強白金28核處理器核心面積高達646mm²,大家可以來感受下:

為什麼先進半導體工藝要靠提高密度,而不是增大面積?

Core i7-8700K的核心

為什麼先進半導體工藝要靠提高密度,而不是增大面積?

Core i9-7900X的核心

為什麼先進半導體工藝要靠提高密度,而不是增大面積?

Core i9-7920X的核心

增大核心面積可以簡單粗暴的增加CPU的核心數量並加入更多的功能和指令集,然而這也提升了產品成本,應為晶圓的尺寸是固定的,切割出來的芯片越小成本就越低,而且在單位面積出錯率固定的情況下,面積越大的芯片蝕刻時上面有壞點變成不良片的可能性就越大,實際上大型芯片的不良率遠比小芯片高,所以廠商們都想放設法在儘可能小的芯片裡堆更多的東西,那隻能升級工藝了。

更先進半導體工藝的優勢其一:降低生產成本

基本上所有芯片的生產都要經過7個工序,分別是:硅提純,切割晶圓,影印,蝕刻,重複、分層,封裝,測試,當中蝕刻工序最重要的工作,它是用激光在硅晶圓上面雕刻晶體管的過程,這個過程是由激光來完成的,所用激光的波長就是該技術提升的關鍵,它影響著在硅晶圓上蝕刻的最小尺寸,也就是線寬。

為什麼先進半導體工藝要靠提高密度,而不是增大面積?

Intel不同製程工藝的成本、核心面積

我們常說的多少nm都是指線寬,也就是芯片上的門電路寬度,縮小線寬意味著晶體管可以做得更小、更密集,而且在相同的芯片複雜程度下可使用更小的晶圓,於是成本降低了。

更先進半導體工藝的優勢其二:頻率更高,電壓更低

在縮短芯片內元件間距之後,晶體管間的電容也隨之降低,這可以提升晶體管的開關頻率,這時整個芯片的工作頻率就上去了,這也為什麼每升級一次工藝CPU的頻率都會明顯提升的原因。

另外縮小晶體管的尺寸也會減少它們的內阻,這可以降低它們的導通電壓,這代表CPU可以在更低的電壓下工作,所以使用新制程的CPU的電壓較上一代產品都有所降低,另外CPU的功耗是與工作電壓的平方成正比的,工作電壓的降低,可使它們的功率也大幅度減小。


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