5G智能手机 SOC芯片为什么都已采用7纳米以下EUV先进制程？

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近年来，在5G智能手机通讯芯片领域，全球公开市场的三家企业——高通、联发科、紫光展锐在制程上可谓是“你追我赶”。在高通、联发科以略为领先的优势先后发布了5纳米、4纳米工艺芯片后，紫光展锐于2022年一口气推出三款6nm EUV技术的5G芯片T760\T770\T820，这标志着全球5G智能手机SOC芯片正稳步向7纳米以下先进制程全面进发。

那么，为什么5G智能手机SOC芯片都已采用7纳米以下先进制程技术？在回答这个问题之前，我们先来认识了解纳米和制程这两个名词。

纳米是一个长度单位，即为毫微米，是长度的度量单位，国际单位制符号为nm。1nm有多长呢？1nm=0.000000001米=10^(-9)米。1nm=4个原子大小。而原子是化学反应中最小的微粒，肉眼无法看到。

制程则是芯片领域的一个专有名词。芯片又称集成电路，最开始的芯片是把晶体管、电阻、电阻等集成在一个很小的平板上，然后用很细的线把这些元器件连接起来，实现了最简单的芯片功能。随着芯片技术不断地发展，现在的芯片已经可以集成上百亿的晶体管，实现超级计算功能，目前制造工艺也达到了3nm制程，台积电和三星都在去年宣布实现3nm芯片的量产。所谓制程，是指在晶体管结构中，电流从Source（源极）流入Drain（漏级），而Gate（栅极）相当于闸门，主要负责控制两端源极和漏级的通断。这栅极的最小宽度，即栅长，就是我们说的工艺制程。栅长的具体数值对应的就是工艺制程的数值。

随着芯片在社会生活中的广泛使用，芯片性能需要变得更为强大，这就需要把越来越多的晶体管放到有限的芯片中。为了实现这一要求，从技术上就得缩小芯片中的栅极。栅极宽度越小，意味着闸门通道越小，那么单位面积所容纳的晶体管就会越多。因此，芯片制造商为了升级芯片性能，就要把栅极宽度做的越窄，也就是纳米级别越小。

在著名的摩尔定律下，原本以为芯片制程到7纳米就达到了极限，这是因为当制程低于7nm时，晶体管非常集中，而且距离非常近，栅极的厚度也接近极限，容易产生量子隧穿效应，这是一种量子特性，是电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象。

因此导致漏电率会大幅增加，如果无法控制漏电率，那么制造工艺将止步于此。芯片制造过程中，光刻机所发出的极紫外光会存在衍射现象，导致光刻栅长并不十分均匀，同时，在制造过程中，离子注入、蚀刻、等离子冲洗、热处理等步骤，也会导致实际栅长不均匀。因此，由于栅长不均匀的问题，就导致行业普遍认为7nm工艺就是芯片的物理极限。

但是人类的探索和能力突破了这一极限，2019年8月，三星发布旗舰芯片Exynos 9825，标志着7nm EUV技术的成功。所谓EUV就是我们中国人心心念念的极紫光外光刻机，该机器目前还是由ASML垄断，全球独此一家，别无分号。而此后智能手机芯片持续向5纳米、4纳米技术演进。

那么纳米越小，芯片就真的越先进吗？这的确如此。

1. 降低了能耗：缩小工艺制程后，晶体管之间的通道变窄，晶体管之间的电容也会变低，从而提升开关的频率。而晶体管开关消耗的电量与电容成正比，因此，电容降低后，开关速度更快、也更省电。此外，工艺更精细的芯片，需要更低的开关电压，也能降低部分能耗；
2. 节约材料：芯片向着更小的工艺尺寸进发，会令组件更小，一片晶圆切割出来的芯片就会更多，进而节约材料，达到降低成本的目的；
3. 满足轻薄设备的需求：缩小工艺尺寸还有一个好处，就是可以在不变大芯片的尺寸前提下，提高芯片能性能，以达到提高手机性能的目的。同时高性能，小尺寸的芯片也有助于制造更轻薄设备，使设备向轻薄型、微小型进军。

现在的智能手机，早就不是传统意义上的手机，准确地说是一部超级智能终端，接入了太多的智能应用，因此，各式任务的叠加和需求，对手机主芯片的要求越来越高，处理速度要快、功耗要低且尺寸要小。因此，5G智能手机SOC芯片向7纳米以下先进制程进发，也是智能手机发展的必然要求。

此外还有一点要注意的，所有的7纳米以下先进制程芯片，都是由EUV光刻机制造。没有EUV光刻机的加持，先进制程是很难突破的。因此，业内有说法指出：只有采用了EUV技术，才是真正先进的技术。这是在于，EUV光刻机实现了高速、低功耗和高集成的芯片生产工艺，满足了5G高性能、超带宽、低时延和海量连接的需求。从这个角度来说，中国本土厂商紫光展锐6纳米EUV芯片是真正领先的5G通讯芯片。

此外，紫光展锐T760、T770、T820从产品角度和工程角度来说，6nm EUV SOC芯片堪称全球最复杂的芯片类产品。6纳米先进制程意味着要在更小的尺寸上实现更多的性能，同时还要进一步降低功耗，这显示紫光展锐的半导体工艺能力正大幅提升；至于5G极致化的高速率以及超低时延的通讯联接，则说明紫光展锐的通信基带芯片能力大为增强；另外，还有AI技术在芯片中的应用与功能渲染，展示的是紫光展锐强劲的AI技术实力。