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麒麟990系列揭秘:突破物理极限的第二代7nm工艺

2019-9-6 18:29:43来源:IT之家作者:汐元责编:汐元评论:

2019年柏林国际消费电子展(IFA2019)已经在今天于德国柏林开幕,正如我们所期待的那样,华为今天在IFA2019上召开了新品发布会,推出了自家麒麟芯片的最新产品麒麟990和麒麟990 5G。其中,全球首款旗舰5G SoC——麒麟990 5G和麒麟990的大部分规格是一致的,除了是否支持5G外,两者只有微小区别。

▲华为消费者业务CEO余承东发布华为麒麟990系列

重新回顾一下麒麟990系列芯片的基本规格,你会发现麒麟990 5G第一项比较重要的技术看点就是采用了新一代7nm+ EUV极紫外光刻技术的制程工艺。的确,对于一款芯片而言,它制程工艺往往是发烧友们最先关注的。那么麒麟990 5G采用的7nm+工艺节点究竟是什么意思?这里所谓的EUV极紫外光刻技术又是怎样的呢?IT之家小编在这里不妨为大家做一些详细的解读。

相信大家还记得,去年发布的麒麟980是全球首款采用7nm制程工艺的移动芯片,然后7nm成为旗舰移动芯片的标配。但其实我们现在在手机上已经使用的7nm芯片并非完全的7nm工艺,或者说并没有完全释放出7nm的优势,所以被称为第一代7nm工艺,而7nm+则是第二代7nm工艺。

今年5月,7nm+工艺量产的消息就已经被公布,这是移动处理器第一次量产EUV极紫外光刻技术,在业界领先Intel、三星。

显然,华为麒麟990 5G是第一批采用7nm+制程工艺手机芯片SoC。那么这个7nm+工艺到底意味着什么呢?它和第一代7nm制程工艺有什么区别呢?

首先我们要对7nm这一制程工艺节点的困难度有一个了解。

我们知道,芯片是由海量的晶体管构成的,晶体管也是芯片最基本的层级,每个晶体管的通导和截断代表着0和1,千万甚至上亿个晶体管代表着千万甚至上亿个0或1,也就是芯片运算的基本原理。每个晶体管是非常小的,我们还是将那张经典的晶体管结构图为大家展示一下:

上图的晶体管结构中,“Gate(栅极)”可以看作是“闸”,主要负责控制两端Source(源极)和Drain(漏级)的通断,电流从源极流入漏极,而这时的栅极的宽度决定了电流通过时的损耗,表现出来就是发热和功耗,宽度越窄,功耗越低。而栅极的宽度(栅长),就是XX nm工艺中的数值。

对于芯片制造商而言,自然是力求栅极宽度越窄越好,不过当宽度逼近20nm时,栅极对电流控制能力急剧下降,漏电率相应提高,对生产工艺的难度要求也上了一个台阶,不过如你我所知,这个问题已经被解决了,这里不展开。而当工艺继续微缩,难度则会进一步加大,人们发现原来的解决方案又撑不住了,智能另寻他招。所以在10nm这个节点初期,芯片厂商们也是一度难产的。

而当晶体管尺寸工艺进一步缩小,小于10nm时,则会产生量子效应,也就是我们所说的逼近物理极限,晶体管的特性将变得难以控制,这时候对于芯片的制造生产难度显然指数级增长,不仅是技术上的难度,更需要海量的资金投入。综上,7nm这个节点上,制造工艺难度可想而知,所以它的发展需要有一个循序渐进的过程。

那么具体到7nm到7nm+这两代工艺上,到底提升在哪里呢?

从上面的介绍中我们知道,随着芯片工艺制程的不断推进,芯片制造的难度也是成倍地增加。具体到芯片制造的过程,有一个最重要的工序,是显影和蚀刻,它的原理是:

让光线通过带有集成电路图的掩膜(也叫光罩)投射到涂有光刻胶的晶圆上,形成已曝光和未曝光的“图案”,然后通过光刻机蚀刻掉已曝光的部分。

▲图片来自台积电官方视频

这里只是形象的解释,实际过程极度复杂的,但我们需要知道的是,这个过程中光源的选择非常重要。选择光源其实是选择光的波长,波长越短,可曝光的实际尺寸就越小,这样才能满足工艺制程不断精密化的要求。

在此之前最先进的是深紫外光刻(DUV),深紫外光也是一种准分子激光,包括KrF准分子激光,波长248 nm,,还有ArF准分子激光,波长193 nm。而比DUV更先进的是EUV,也就是极紫外光。

极紫外光刻的波长可达13.5nm,这个跃进是非常明显的,显然更适合7nm芯片的制造过程,可以很大提高晶体管的密度,并降低功耗。IT之家通过华为处了解到,麒麟990的芯片整体面积相比980基本没有变化,但包含的晶体管数量却得到了大幅提升,达到惊人的103亿个晶体管,这也是第一个超过100亿个晶体管的芯片。这背后,显然和7nm+制程工艺的采用直接相关。晶体管数量的提升,意味着芯片处理能力的提升,相比于传统的7nm工艺,麒麟990系列的晶体管密度提升了18%,能效则提升了10%,AI运算将更省电。

这里需要说明的是,突破DUV技术其实并非只有EUV一种解决方案,行业里其他企业也曾尝试过其他方案,但最后的效果都不好,最后只有光刻机巨头ASML采用的EUV光刻机笑到最后。

▲华为Fellow艾伟演讲

另外就是生产7nm芯片也并不是只有EUV可以,只是EUV光刻优势更明显,DUV其实也可以用于生产7nm芯片,去年第一代7nm芯片采用的就还是DUV光刻技术。

▲使用EUV和DUV的ArF光刻图像细节对比,EUV的优势非常明显

所以,采用EUV极紫外光刻也是第二代7nm工艺区别于第一代的关键,只不过这种技术难度很大,有很多难点需要解决,例如EUV光刻机的光效率只有2%左右。且有源功率仅250W,无法满足高效刻蚀晶圆的目的,另外空气分子也会对EUV光线有干扰,所以进行EUV光刻时要求真空环境等等。IT之家小编从华为处了解到,为了解决7nm+工艺的量产,华为投入了大量工艺专家进行研发,有超过5000次的验证以及大量的实验,其中的重点显然也是解决EUV光刻技术应用的难点。

当然,结果我们已经知道了,7nm+制程工艺成功量产,麒麟990也第一时间用上了这一先进工艺——注意,这里是商用,在即将于9月19日发布的华为Mate 30系列手机中,我们将真真切切地看到搭载7nm+工艺的麒麟990芯片的真实表现,IT之家小编对此也是非常期待的。

毫无疑问,随着麒麟990 5G芯片的发布,7nm+制程工艺也会像去年麒麟980引领的7nm工艺一样,成为移动端旗舰芯片的主流制程技术标准。而在这背后,IT之家更在意的,是华为真正将7nm这一制程节点向前推动了一大步,对于半导体产业以及移动终端行业的发展,显然也具有重要的意义。

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关键词:麒麟990麒麟990 5G华为

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