4nm晶片再現功耗問題，先進制程晶片如何破解漏電“魔咒”

近日，多款采用4nm制程晶片的手機，被使用者吐槽存在發熱量高和功耗高等方面的問題。據了解，此次涉嫌功耗過熱的三款頂級手機晶片，分别是高通骁龍8 Gen 1、三星Exynos 2200、聯發科天玑9000，均為目前各廠商高端晶片的代表。同時，天玑9000的生産商為台積電，Exynos 2200和骁龍 8 Gen 1的生産商三星，為排名前兩位的晶片代工制造商。

去年年初，5nm晶片就因發熱問題被頻頻吐槽，如今4nm晶片再度陷入同樣的困境：先進工藝制程晶片存在漏電流問題，導緻發熱量過高，似乎已經成為一種“魔咒”，是晶片制程工藝最大障礙之一。晶片的工藝制程仍在不斷延伸，未來如何有效破解漏電“魔咒”已經成為整個晶片制造領域的努力方向。

短溝道效應帶來的挑戰

一般情況下，根據登納徳縮放比例定律，随着晶片尺寸的縮小，所需的電壓和電流也會下降，由于功耗會受電壓和電流的影響，當制程工藝提升、電壓和電流随之下降時，其晶片産生的功耗也會降低。台積電表示，與7nm工藝相比，同樣性能下5nm工藝的功耗降低30%，同樣的功耗下則性能提升了15%。

然而，随着晶片制程進入5nm，卻頻頻出現功耗過高的問題。北京超弦存儲器研究院執行副院長、北京航空航天大學兼職博導趙超認為，短溝道效應是造成4nm、5nm等先進工藝出現功耗問題的主要原因之一，也成為了先進制程發展中最大的阻礙。

半導體制造中，內建電路的尺寸随着摩爾定律的發展而持續縮小，溝道長度也相應地縮短，這就導緻了溝道管中的S和D（源和漏）的距離越來越短。是以栅極對溝道的控制能力變差，這就意味着栅極電壓夾斷溝道的難度變大，即産生短溝道效應，進而出現嚴重的電流洩露（漏電）現象，最終讓晶片的發熱和耗電失控。

“5nm、4nm晶片所采用的都是FinFET（鳍式場效應半導體）結構。FinFET結構在晶片制程進入28nm後，相比較于平面MOSFET器件結構，具有更強的栅極控制能力，FinFET結構可通過增加栅極與溝道的接觸面積，來增強對導電溝道的控制。溝道接觸面積的增長，可以從一定程度上緩解短溝道效應，進而将晶片制程繼續延伸。然而，随着晶片制程逐漸延伸到5nm及5nm以下，采用FinFET結構先進制程的晶片，也出現了短溝道效益造成漏電現象。這也與FinFET本身的結構有關。FinFET所采用的是三面栅的結構，并非四面環繞式的結構，其中一個方向沒有栅極的包裹。随着晶片制程的不斷減小，FinFET三面栅的結構對于漏電的控制能力也在逐漸減弱，造成晶片再次出現功耗問題。”趙超表示。

如何破解漏電“魔咒”？

未來晶片制程仍将繼續向3nm甚至2nm延伸，人們也在積極考慮如何解決漏電流所導緻的功耗與發熱問題，包括更換新材料、采用新架構——GAA（環繞式栅極）結構等，以期打破長久以來存在的漏電“魔咒”。

在材料方面，趙超介紹，采用具有高介電常數的栅媒體材料替代原本的二氧化矽材料，可有效解決短溝道效應造成栅極漏電的問題。而二氧化铪屬于高介電常數的材料，以二氧化铪來替代二氧化矽作為栅媒體材料，可有效提高介電常數，減少漏電情況，并有效增加電容荷電的能力。

同時，随着晶片制程的延伸，采用四面環栅結構的GAA技術逐漸受到更多地關注。複旦大學微電子學院副院長周鵬表示，相較于三面圍栅的FinFET結構，GAA技術的四面環栅結構可以更好地抑制漏電流的形成以及增大驅動電流，進而更有利于實作性能和功耗之間的有效平衡。是以，GAA技術在5nm之後更小的制程中，更受到業界的普遍認可和青睐。

然而，無論是新材料，還是GAA技術，都難以在短時間内解決問題。有研究人員發現，若想在碳納米管半導體中使用二氧化铪來替代二氧化矽成為栅極電媒體材料，二氧化铪同樣難以在所需的薄層中形成高介電常數的電媒體。

GAA結構的量産實作同樣困難重重。據了解，近期三星采用GAA結構打造的3nm晶片，良率僅在10%~20%之間。而台積電在其第一代3nm制程中仍将保持采用FinFET工藝。

“在半導體領域當中，任何一種技術的轉換或更疊，往往需要經曆多年的試錯和改進，GAA結構雖然在5nm以下的制程中，具有較為明顯的優勢，但其最終能否實作預期的高性能和低功耗，還取決于其制程中所面臨的技術難題能否被一一攻克。”周鵬說。

4nm并非噱頭

對于此次4nm晶片出現功耗問題，也有消費者質疑，4nm是否隻是一個商業噱頭？4nm與5nm技術實則并無太大差異，否則為何高功耗、高發熱的問題依然如故？

一般而言，對于晶片工藝的名稱數字，是以0.7倍為節奏演進的，例如，14nm工藝之後，完整的工藝疊代應當是10nm（14nm x0.7≈10nm），10nm之後是7nm，7nm之後是5nm。若按此規則演進，5nm後究竟應該是4nm還是3nm，在四舍五入規則下似乎并不明确。但在代工廠的約定俗成下，5nm的完整工藝疊代應為3nm。是以，4nm應當屬于5nm和3nm的過渡工藝，其角色定位與此前推出的8nm（10nm和7nm的過渡工藝）、6nm（7nm和5nm的過渡工藝）類似。在各代工廠3nm工藝紛紛延後的情況下，4nm出現的價值似乎在于填補這一時間内的市場空白。

然而，這并不意味着4nm工藝等同于5nm。4nm工藝雖然不屬于5nm工藝的“完整疊代”，但也是“同代演進”。台積電曾承諾，其最新4nm工藝，比5nm的性能提升11%，能效提高22%。

對此有專家解釋，造成4nm工藝晶片出現功耗問題的因素有很多，難以一概而論。架構、器件等都是會影響晶片最終性能的因素。同樣被稱為4nm工藝晶片，台積電和三星的晶片工藝細節也大為不同。随着摩爾定律的不斷演進，晶片尺寸的縮小幅度已經非常有限，這已經不能成為衡量晶片工藝制程演進的唯一标準。