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10nm技术节点大战即将开打:台积电vs三星

2018年02月13日 作者: 暂无评论 1,287+ 0

10nm智能手机的普及,大大地改变了现代人们的生活方式,言犹在耳的那句广告词——“科技始终来自于人性”依旧适用,人们对于智能手机的要求一直是朝向更好、更快以及更省电的目标。就像2015年发生的iPhone 6芯片门事件,每个苹果(Apple)产品的消费者一拿到手机时,都迫不及待地想要知道自己的手机采用的是台积电(TSMC,16nm)或是三星(SAMSUNG,14nm)的芯片。

这场战役两家大厂互有消长,首先是三星的14nm较台积电的16nm抢先半年投入量产,因两家大厂的鳍式晶体管(FinFET)设计也确有雷同之处,后续又衍生了竞业禁止官司诉讼等故事,无论如何,最终台积电还是以些许性能优势击败三星,并使其16nm工艺于来年独拿了Apple的A10处理器(iPhone 7)订单。

2017年,三星卷土重来,自主设计了10nm技术工艺的Exynos8895 (名称源于希腊单词Exypnos和Prasinos,分别意为智能和环保),搭载于自家旗舰机Galaxy S8上,宣称与上一代14nm工艺相较性能提高了27%、功耗降低40%。另一方面,台积电的10nm产品A11 Bionic于今年iPhone 8发表会上亮相,Apple副总裁Phil Schiller对该芯片做了短短一句评价:“智能手机历来最强大、最聪明的芯片”(The most powerful and smartest chip ever in a smartphone)。

于此人们又有新的议题可以讨论,两家世界级半导体厂究竟在新的10nm世代孰强孰弱呢?众多的分析平台都针对两家的产品进行了评比,例如,图1是知名跑分评测网站Geekbench针对两家芯片进行的比较,我们可以看到台积电的A11芯片效能分数,无论是单核心的4216分或多核心的10101分,分别都优于三星Exynos8895的1957与6433分,后续亦有许多文章或平台以各种数据说明两家大厂产品的规格品项差异。10nm

图1:Geekbench网站提供的效能参考:i8 vs. S8

本文则从另一个角度出发,以材料分析的方式一探iPhone 8的Bionic (以下简称i8)以及Galaxy S8的Exynos8895 (以下简称S8)两款芯片中静态随机存取内存(SRAM)区域与FinEFT工艺的差别,辅以高分辨率的穿透式电子显微镜(TEM)影像分析技术,呈现纳米级尺寸差异的影像,并以微区的能量散布光谱映像分析结果(EDS mapping),解释两家选用材料的差别,让读者得以连结形貌与成份二者间的关联,从而了解两家大厂的10nm工艺。

SRAM大小与密度

6T SRAM单元面积越小,显示在同样尺寸大小的组件可以植入更多的内存单元。图2是2017年初英特尔指出14nm跨入10nm时,同样大小的逻辑区域会增加2倍以上的内存单元,故6T SRAM单元面积通常被视为衡量工艺优劣的重要因素。10nm

图2:英特尔指出SRAM密度与线宽发展的关系

图3a、3b分别指出iPhone 8 (i8)以及Galaxy S8 (S8)之芯片SRAM区域的STEM影像俯视图,我们可以发现i8工艺中的鳍片间距(Fin pitch)较S8的小,进而影响了6T SRAM的单元面积,i8的面积为0.040um2,远远小于S8的0.049um2,然而图3c、3d显示两者在工艺上并无材料选择上的差异,所以相信i8整体效能胜出,与其逻辑区域搭载单元数量有相对之关系(若SRAM整体区域大小相同的状况下,i8搭载的记忆单元数量将是S8的1.25倍)。10nm

图3:(a)i8 SRAM区域的STEM影像;(b)S8 SRAM区域的STEM影像;(c)i8 SRAM区域的EDS影像图;以及(d)S8 SRAM区域的EDS影像图

FinFET结构与特性

进一步看看两者间鳍片结构的差异,透过TEM的影像以及EDS影像,我们可以解析其极细微的差异,图4a、4b呈现的是i8以及S8中鳍式硅基板的形貌,包含了N型(N-Fins)以及P型(P-Fins)结构。10nm

图4:(a)i8 FinFET结构的TEM影像;(b)S8 FinFET结构的TEM影像;(c)i8 FinFET结构的EDS影像图;以及(d)S8 FinFET结构的EDS影像图

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