隨著芯片尺寸的進(jìn)一步縮小,新的“物理極限”出現(xiàn)了。這就是我們傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片的設(shè)計(jì)理念問(wèn)題。我們都知道的,現(xiàn)在的電腦是基于數(shù)字電路0、1這樣的邏輯電路搭建起來(lái)的。而隨著芯片尺寸的減小,最小的PN結(jié)也在不斷的減小。由于量子效應(yīng),PN結(jié)不能形成之前的工作狀態(tài),也就是說(shuō),不再表現(xiàn)出0和1這種狀態(tài),量子效應(yīng)成為了數(shù)字集成電路的攔路虎。
這怎么辦呢?其實(shí),需要的不是做新的PN結(jié)出來(lái),因?yàn)镻N結(jié)已經(jīng)無(wú)法再小了??茖W(xué)家們做的工作是,發(fā)展下一代計(jì)算機(jī)技術(shù):量子計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)的工作原理跟我們現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)是不同,它是利用量子的波函數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算的。它的計(jì)算邏輯不同於數(shù)字電子計(jì)算機(jī),量子計(jì)算用來(lái)存儲(chǔ)資料的對(duì)象是量子位元,它使用量子演算法來(lái)進(jìn)行資料操作。
這種變化其實(shí)就是新的技術(shù)手段代替老的技術(shù)手段的過(guò)程。面對(duì)無(wú)法再小的數(shù)字化集成電路科學(xué)家祭出的新的手段就是量子計(jì)算,用量子計(jì)算來(lái)取代數(shù)字計(jì)算,讓計(jì)算能力進(jìn)入到一個(gè)新的發(fā)展階段。
還有就是目前,芯片都是由硅為基礎(chǔ),在上面刻蝕電路,但是,理論研究表明,當(dāng)芯片制程達(dá)到1nm的時(shí)候,量子隧穿效應(yīng),就是電子不受控制,所以這是人們很擔(dān)心的問(wèn)題,1nm后怎么辦?目前人類馬上將硅基材料的性能壓縮到了極限,所以更換材料已經(jīng)被提上日程,目前最有希望的便是二硫化鉬(MoS2)。
硅和二硫化鉬都有晶體結(jié)構(gòu),但是二硫化鉬對(duì)于控制電子的能力要強(qiáng)于硅,眾所周知,晶體管由源極,漏極和柵極,柵極負(fù)責(zé)電子的流向,它是起開(kāi)關(guān)作用,在1nm的時(shí)候,柵極已經(jīng)很難發(fā)揮其作用了。而通過(guò)二硫化鉬,則會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題,而且二硫化鉬的介電常數(shù)非常低,可以將柵極壓縮到1nm完全沒(méi)有問(wèn)題。
1nm是人類半導(dǎo)體發(fā)展的重要節(jié)點(diǎn),可以說(shuō),能不能突破1nm的魔咒,關(guān)乎計(jì)算機(jī)的發(fā)展,雖然二硫化鉬的應(yīng)用價(jià)值非常大,但是,目前還在早期階段,而且,如何批量生產(chǎn)1nm的晶體管還沒(méi)有解決,但是,這并不妨礙二硫化鉬在未來(lái)集成電路的前景。
當(dāng)前,芯片由先進(jìn)制程帶來(lái)的性能、功耗回報(bào)正在顯著降低。近幾個(gè)月,搭載5nm制程工藝SOC的智能手機(jī)陸續(xù)上市。從這些手機(jī)的實(shí)際表現(xiàn)來(lái)看,無(wú)論是臺(tái)積電的5nm FinFET工藝,抑或三星的5nm LPE工藝,性能、功耗提升都未能滿足市場(chǎng)預(yù)期。
三星方面,功耗翻車的問(wèn)題比較突出。采用三星5nm LPE工藝的驍龍888處理器和上代產(chǎn)品驍龍865處理器對(duì)比,單核功耗和多核功耗明顯增加,能效表現(xiàn)上大幅下降。
臺(tái)積電方面,快步推進(jìn)的5nm,實(shí)際性能提升有些拉胯。以蘋果A系列處理器為例,同樣基于臺(tái)積電7nm制程,A13處理器相比A12處理器CPU性能提升20%、GPU性能提升20%;而基于臺(tái)積電5nm制程的A14相比A13,CPU 性能方面提升大約在16.7%左右,GPU性能提升則大約在8.3%左右。
也就是說(shuō),在蘋果A系列處理器上,5nm制程進(jìn)步帶來(lái)的進(jìn)步,很可能還比不上蘋果自己對(duì)處理器架構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)。雖然有一些業(yè)內(nèi)人士猜測(cè),這是由于5nm初期良品率不高,蘋果A14屏蔽了一些核心。但同樣采用臺(tái)積電5nm工藝的麒麟9000,其功耗控制較之官方數(shù)據(jù)也存在較大差異。
5nm先進(jìn)制程工藝的實(shí)際表現(xiàn)普遍稱不上令人滿意,對(duì)于當(dāng)前階段使用5nm工藝的產(chǎn)品而言,其營(yíng)銷價(jià)值或許要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)先進(jìn)制程本身的實(shí)用價(jià)值。
更加令人感到不安的是,在當(dāng)前臺(tái)積電5nm制程工藝的實(shí)用價(jià)值都很成問(wèn)題的情況下,臺(tái)積電還在持續(xù)加大對(duì)下一代制程節(jié)點(diǎn)3nm工藝的研發(fā)投入。在近日的財(cái)報(bào)會(huì)議上,臺(tái)積電管理層宣布2021年計(jì)劃將年度資本開(kāi)支從2020年的170億美元大幅提升到250億至280億美元,增幅將達(dá)到45%至63%,其中約80%將用于3nm工藝研發(fā),這意味著,臺(tái)積電今年將會(huì)有超過(guò)150億美元的資本支出投向3nm工藝。
而根據(jù)臺(tái)積電此前公布的計(jì)劃,他們的3nm工藝,計(jì)劃在今年風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn),2022年大規(guī)模量產(chǎn)。也就是說(shuō),按照臺(tái)積電的規(guī)劃,明年在市場(chǎng)上我們就可以看到一些搭載臺(tái)積電3nm工藝的產(chǎn)品。
這依然符合臺(tái)積電近幾年來(lái)的先進(jìn)制程升級(jí)換代節(jié)奏,然而從產(chǎn)品的實(shí)際表現(xiàn)來(lái)看,高昂的代價(jià)并沒(méi)能完美實(shí)現(xiàn)預(yù)期中的效果。換而言之,臺(tái)積電現(xiàn)在很可能已經(jīng)觸碰到了資本投入和技術(shù)實(shí)現(xiàn)之間的一個(gè)瓶頸,忽視這一瓶頸而又急切想要實(shí)現(xiàn)3nm先進(jìn)制程工藝的臺(tái)積電,其實(shí)已經(jīng)陷入了一場(chǎng)極限技術(shù)冒險(xiǎn)。