全新10nm SuperFin晶體管技術(shù)：性能提升可媲美臺(tái)積電5nm ?

作為摩爾定律的提出者和踐行者，英特爾一直以來(lái)在晶體管技術(shù)上不斷變革創(chuàng)新，比如90nm時(shí)代的應(yīng)變硅(Strained Silicon)、45nm時(shí)代的高K金屬柵極(HKMG)、22nm時(shí)代的FinFET立體晶體管。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月13日，英特爾在2020年架構(gòu)日活動(dòng)上，正式公布了全新的SuperFin晶體管技術(shù)、“混合結(jié)合”(Hybrid Bonding)封裝技術(shù)，進(jìn)一步展示了英特爾半導(dǎo)體工藝上的持續(xù)創(chuàng)新。

即便是飽受爭(zhēng)議的14nm工藝，Intel也在一直不斷改進(jìn)，通過各種技術(shù)的加入，如今的加強(qiáng)版14nm在性能上相比第一代已經(jīng)提升了超過20%，堪比完全的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換。

雖然在不久前英特爾再度宣布其7nm工藝的量產(chǎn)再度推遲6個(gè)月，使得其股價(jià)大跌，外界一片看衰英特爾之聲，因?yàn)榕_(tái)積電的5nm工藝已經(jīng)量產(chǎn)，而英特爾的7nm還在難產(chǎn)之中，這也使得近期業(yè)內(nèi)充斥著英特爾在制程工藝上已徹底被臺(tái)積電擊敗的聲音。

但是，相比臺(tái)積電、三星在制程工藝節(jié)點(diǎn)命名上的數(shù)字游戲，英特爾一直踐行著最為嚴(yán)苛的工藝節(jié)點(diǎn)命名方式，每一代制程工藝的大的升級(jí)其晶體管數(shù)量將達(dá)到上一代的兩倍。也就是說(shuō)，英特爾的7nm的晶體管密度將是10nm的兩倍。

但是，如果以晶體管密度為標(biāo)準(zhǔn)的話，英特爾三年前推出的14nm制程所能達(dá)到的晶體管密度已經(jīng)與三年后臺(tái)積電、三星所推出的10nm的晶體管密度相當(dāng)，而英特爾的10nm工藝雖然比臺(tái)積電、三星要晚，但是它的晶體管密度卻達(dá)到他們的兩倍，并且在鰭片間距、柵極間距、最小金屬間距、邏輯單元高度等指標(biāo)均領(lǐng)先于臺(tái)積電和三星的10nm。

同樣，英特爾的7nm工藝的晶體管密度等指標(biāo)方面，實(shí)際上也要優(yōu)于臺(tái)積電和三星的5nm工藝。

英特爾高級(jí)院士、技術(shù)與制造事業(yè)部制程架構(gòu)與集成總監(jiān)Mark T. Bohr此前就曾表示：“隨著摩爾定律的推進(jìn)，制程升級(jí)也開始變得越來(lái)越難，一些公司開始背離了摩爾定律對(duì)于制程工藝的命名法則。

即使晶體管密度增加很少，但他們?nèi)岳^續(xù)推進(jìn)采用新一代制程節(jié)點(diǎn)命名。這也導(dǎo)致了制程節(jié)點(diǎn)名稱根本無(wú)法正確體現(xiàn)這個(gè)制程位于摩爾定律曲線的哪個(gè)位置。”

當(dāng)然，即便如此，英特爾在制程工藝的推進(jìn)的速度上確實(shí)落后了，因?yàn)榕_(tái)積電的5nm已經(jīng)量產(chǎn)，而英特爾的7nm工藝則要等到明年了。

為此，英特爾在繼續(xù)推進(jìn)7nm工藝的同時(shí)，也在不斷的優(yōu)化10nm工藝。

英特爾此前在10nm工藝節(jié)上就融入了諸多新技術(shù)，比如自對(duì)齊四重曝光(SAQP)、鈷局部互連、有源柵極上接觸(COAG)等等，但它們帶來(lái)的挑戰(zhàn)也讓新工藝的規(guī)模量產(chǎn)和高良品率很難在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到理想水平。

因此持續(xù)的優(yōu)化也將有助于10nm的性能的持續(xù)釋放。在英特爾2020年架構(gòu)日活動(dòng)上，英特爾公布了全新的10nm SuperFin晶體管技術(shù)。

英特爾首席架構(gòu)師Raja Koduri表示，經(jīng)過多年對(duì)FinFET晶體管技術(shù)的改進(jìn)，英特爾正在重新定義該技術(shù)，而SuperFin晶體管技術(shù)的推出，是該公司有史以來(lái)最為強(qiáng)大的單節(jié)點(diǎn)內(nèi)性能增強(qiáng)，帶來(lái)的性能提升可與全節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換相媲美。也就是說(shuō)，憑借該技術(shù)，英特爾實(shí)現(xiàn)了其新一代的10nm工藝可以媲美其初代的7nm工藝。

據(jù)介紹，10nm SuperFin技術(shù)實(shí)現(xiàn)了英特爾增強(qiáng)型FinFET晶體管與Super MIM(Metal-Insulator-Metal)電容器的結(jié)合。SuperFin技術(shù)能夠提供增強(qiáng)的外延源極/漏極、改進(jìn)的柵極工藝和額外的柵極間距，并通過以下方式實(shí)現(xiàn)更高的性能：

1、增強(qiáng)源極和漏極上晶體結(jié)構(gòu)的外延長(zhǎng)度，從而增加應(yīng)變并減小電阻，以允許更多電流通過通道;

2、改進(jìn)柵極工藝以實(shí)現(xiàn)更高的通道遷移率，從而使電荷載流子更快地移動(dòng);

3、提供額外的柵極間距選項(xiàng)可為需要最高性能的芯片功能提供更高的驅(qū)動(dòng)電流;

4、使用新型薄壁阻隔將過孔電阻降低了30%，從而提升了互連性能表現(xiàn);

5、與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，在同等的占位面積內(nèi)電容增加了5倍，從而減少了電壓下降，顯著提高了產(chǎn)品性能。

英特爾表示，該技術(shù)由一類新型的“高K”( Hi-K)電介質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)，該材料可以堆疊在厚度僅為幾埃厚的超薄層中，從而形成重復(fù)的“超晶格”結(jié)構(gòu)。這是一項(xiàng)行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)，領(lǐng)先于其他芯片制造商的現(xiàn)有能力。

英特爾聲稱，通過SuperFin晶體管技術(shù)等創(chuàng)新的加強(qiáng)，10nm工藝可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)內(nèi)超過15%的性能提升!而根據(jù)臺(tái)積電此前公布的數(shù)據(jù)顯示，其5nm工藝相對(duì)于其之前的7nm工藝的性能提升也只有15%。

如果說(shuō)，之前英特爾第一代10nm工藝的性能已經(jīng)可以和臺(tái)積電7nm工藝相媲美，那么新一代的基于SuperFin晶體管技術(shù)的10nm工藝在性能上，可能已經(jīng)可以與臺(tái)積電的5nm工藝相媲美。而這也是為何英特爾將SuperFin晶體管技術(shù)，稱之為其“有史以來(lái)最為強(qiáng)大的單節(jié)點(diǎn)內(nèi)性能增強(qiáng)，帶來(lái)的性能提升可與全節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換相媲美”。

據(jù)英特爾透露，10nm SuperFin技術(shù)將運(yùn)用于代號(hào)為“ Tiger Lake”的英特爾下一代移動(dòng)版酷睿處理器中。Tiger Lake正在生產(chǎn)中，OEM的筆記本產(chǎn)品將在今年晚些時(shí)候的假日季上市。

全新混合結(jié)合封裝技術(shù)

作為英特爾六大技術(shù)支柱之一，封裝技術(shù)也一直是英特爾的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)技術(shù)，特別是在摩爾定律推進(jìn)越來(lái)越困難的當(dāng)下，封裝技術(shù)則成為了通過異構(gòu)整合，繼續(xù)推進(jìn)芯片性能提升和成本下降的關(guān)鍵。

近去年，英特爾就推出了多項(xiàng)全新的先進(jìn)芯片封裝技術(shù)：包括Foveros、Co-EMIB、ODI、MDIO等?；驹瓌t都是使用最優(yōu)工藝制作不同IP模塊，然后借助不同的封裝方式、高帶寬低延遲的通信渠道，整合在一塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)。

在此次的2020年架構(gòu)日活動(dòng)上，英特爾又宣布推出了全新的“混合結(jié)合”(Hybrid Bonding)封裝技術(shù)。英特爾稱，其可取代當(dāng)今大多數(shù)封裝技術(shù)中使用的“熱壓結(jié)合”(thermocompression bonding)封裝技術(shù)。

隨著摩爾定律的繼續(xù)推進(jìn)，芯片的尺寸可能會(huì)變得越來(lái)越小，這樣為了保證足夠的帶寬，必須要進(jìn)一步縮小橋凸間距，提升單位面積下的橋凸數(shù)量。通過堆疊裸片的高密度垂直互連是目前封裝技術(shù)演進(jìn)的一大方向，其主要是靠每平方毫米內(nèi)所能容納的橋凸數(shù)量(也即橋凸的間距大小)來(lái)進(jìn)行界定，數(shù)量越大(間距越小)，則數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捀?，傳輸速度更快，延遲更底。

目前英特爾的高密度垂直互連技術(shù)的橋突間距可以做到50μm，即400個(gè)橋凸/mm?。

而英特爾此次推出的混合結(jié)合技術(shù)，能夠加速實(shí)現(xiàn)10微米及以下的凸點(diǎn)間距(Pitch)，提供更高的互連密度、更小更簡(jiǎn)單的電路、更大的帶寬、更低的電容、更低的功耗(每比特不到0.05皮焦耳)。

也就是說(shuō)，采用新的混合結(jié)合技術(shù)，可以使得英特爾現(xiàn)有的凸點(diǎn)間距能縮小到原來(lái)的1/5，并且每平方毫米的凸點(diǎn)數(shù)量也能超過1萬(wàn)，增加足足25倍，這也意味著芯片間的互聯(lián)帶寬將得到極大的提升。

據(jù)英特爾介紹，采用混合結(jié)合封裝技術(shù)的測(cè)試芯片已在2020年第二季度流片。

不過，英特爾并未透露未來(lái)會(huì)在什么產(chǎn)品上率先商用。