7nm必看介紹

N6和N7+似乎是兩條不同的路徑，因為N7+並不能達成N6這樣的相容性，且N7+實際有著密度方面略為領先的優勢。 這可能也是865並未選擇N7+的原因，N7P與未來的架構設計過渡可能將更加平緩。 去年5月的財報電話會議上，台積電表示大部份N7客戶(而不是N7+客戶)最終都將轉往N6製程。 台積電預計在今年較早時間完成N6的風險生產，到年底以前達成良率和產量的提升——這個節點會與N5同期進行。 而N7+與N7P又是不同的，它在某些關鍵層真正開始採用EUV微影技術，並從2019年第二季開始大規模量產。 N7+按照台積電所說有著1.2倍的電晶體密度提升，相同功耗下提升10%性能，相同性能下降低15%功耗——所以在整體表現上會優於N7P。

這兩種不同的cell方案，鰭間距都是30nm，不過閘極間距前者為57nm，後者是64nm。 即便都是7nm，但似乎加減有些差異，甚至還有像三星這樣只「差」了1nm的8nm方案，因而值得我們深入探討箇中差別。 此外，透過粗淺地闡述不同7nm製程在參數方面的差異，也期望看看當今的製程有著什麼樣的市場宣傳範式。 當談到最先進的半導體製程技術時，2019年各家推出的最先進SoC似乎絕大部份都可歸為7nm。 7nm 但是當我們細看不同手機SoC甚至PC CPU的製程時，大家的7nm似乎都有些差別。 但是當我們細看不同手機SoC甚至PC CPU的製程時，大家的7nm似乎都有些差別…

7nm: 平平都是7nm　性能、製程大不同！

例如在三星7nm LPP中，電晶體fin的製造仍然採用相對傳統的ArF SAQP四重曝光方案。 但無論如何，EUV的採用都大大減少了製造工序和光罩的使用，配合形成圖案的設計複雜度會下降。 如果你對這些值沒什麼概念，那麼將其反映到更具體的IP或產品大致可瞭解其價值。 高通在2019年超大規模積體電路會議上表示，N7製程讓高通Snapdragon 855獲得了30-35%的晶片面積紅利 (上一代Snapdragon 845實際上採用的是三星10nm製程)，包括邏輯電路、SRAM區域與綜合的晶片面積。

• 因為ArF光源本身的波長有193nm，要克服衍射效應、微影更小的圖案，業界為此導入了不少方案包括光學鄰近校正、雙重曝光以及四重曝光。
• 在台積電的規劃中，7nm是一個相對長期、完整的製程節點，之前一代是16nm，其此間的10nm則屬於短期過渡方案。
• 傳統多重曝光技術的一大問題就是圖案解析度並不好，就像上面這個圖案一樣，最終獲得的圖案與預期存在出入。
• 即便都是7nm，但似乎加減有些差異，甚至還有像三星這樣只「差」了1nm的8nm方案，因而值得我們深入探討箇中差別。
• 长春光机所联合中国科学院光电技术研究所、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院微电子研究所、北京理工大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学开展了“极紫外光刻关键技术研究”项目研究工作。

這消息不是中芯國際親口承認，而是來自逆向工程和拆解公司 TechInsights。 無論今年Apple A14將採用何種製程(傳言將全由台積電N5節點包下)，以及7nm這個節點的壽命還有多久，跨入EUV的廝殺顯然已經由Kirin 990 5G、Exynos 9825這些非大量出貨的SoC吹響了號角，7nm也是台積電和三星練手EUV的第一步。 有關另一個尖端製程的參與者：英特爾的10nm與7nm，將在後續的文章中進一步介紹。

7nm: 英特爾官方揭秘：為什麼 7nm 被命名為 Intel 4？

而電晶體的fin則略窄、略高了一點點(三星的第五代fin)，改良後可實現對短溝槽效應更好的控制。 7nm 還有一些最佳化方案則著力於減少導通電阻，pFET和nFET的接觸電阻有不同程度減少。 不過，最小金屬間距來到44nm這個尺寸，DUV也需要四重曝光——就這個意義來說，8nm LPP的成本也真的不低。 因為ArF光源本身的波長有193nm，要克服衍射效應、微影更小的圖案，業界為此導入了不少方案包括光學鄰近校正、雙重曝光以及四重曝光。

• 今年 7 月，英特爾公佈了最新的半導體製程和先進封裝路線圖：預計四年內完成 5 個節點路線推進，再一次向世界展示了英特爾的創新力。
• 半導體裝置業者表示後續存全球 IC 設計客戶完成去庫存後還將擴大台積電訂單，包括博通、Marvell、聯發科等大廠。
• Snapdragon 855總共是67億個電晶體；其CPU部份分成三組，一個A76大核心主頻為2.84GHz、3個主頻為2.42GHz的A76核心，以及4個主頻1.80GHz的A55核心。
• Exynos 9825更像是三星的練手之作：三星似乎一直有這樣的傳統。
• 90年代的时候，ASML开始在光刻机市场崭露头角，由此成为了美国的扶持对象，当时入股ASML的包括英特尔、台积电、三星等企业。
• 幾乎所有中芯國際 14 奈米製程設備，也可用於 7 奈米製程，所以突破門檻不高。

上面這張圖並沒有算上台積電的N7+(和N6)，若按其宣稱N7+的密度增加20%來算，台積電N7+的電晶體密度應該顯著高於三星的7LPP HD高密度cell方案，低於三星6LPP HD(密度提升18%)。 如果我們對舊資料做個粗略的統計，則三星7nm LPP在電晶體密度方面，相較於台積電N7製程略有優勢，但不及同樣用上了EUV的N7+。 WikiChip在去年10月最新的預計為三星7nm LPP HD高密度cell方案的電晶體密度在95.08MTr/mm²，而HP高性能方案的電晶體密度則在77.01MTr/mm²。 在VLSI 2018技術大會上，三星呈現了「第二代7nm製程技術」。

7nm: 傳台積電 7nm 產能利用率跌破五成，聯發科、高通、AMD 等客戶大砍單

但在後續10月份的Arm TechCon上，三星更新其開發藍圖，最初的第二代7nm製程似乎已更名5nm LPE。 而原本三星7nm節點，還區分初代7LPE和二代7LPP，現似已統稱為7LPP。 在設備生產細節方面，7LPP與8LPP在很多方面是共用了技術的，所以8nm LPP很大程度上也是在為三星7nm製程積累經驗。 因此，海思Kirin 990 5G版不僅是改換了數據機模組，而是在製程及某些實體層也有了翻新。 華為在發佈Kirin 990系列時就宣稱Kirin 990 5G是業界「首款使用EUV製程打造的晶片」。

這個值與台積電N7 HP高性能方案還比較接近，但和N7 HD高密度低功耗方案就有些距離了。 7nm 比較有趣的是，855在CPU製造方案上採用台積電的兩種N7方案：其中一個高主頻的大核心採用高性能的HP cell方案，而其他兩組核心用的是低功耗HD cell方案。 看起來是一種相對奢侈的組合方法，在一顆SoC上採用同一種製程的兩種方案。 HD低功耗N7的電晶體密度為91.2 MTr/mm²；HP高性能N7製程電晶體密度65 MTr/mm²。 不過，台積電的N7製程實際上有兩種cell方案，分別對應於低功耗與高性能。

7nm: 傳中芯國際悄悄出貨 7 奈米晶片，還將進一步提高產能

來自WikiChip的這些資料實際上與各廠商官方給出的資料略有出入，似乎與另外一些研究機構如TechInsights的資料也不一樣。 例如以10nm節點來看，台積電最早給出的閘極間距為64nm，互連間距為42nm；TechInsights在研究後認為這個資料不準確，他們更傾向於這兩個值分別是66nm與44nm；WikiChip的數據則是66nm、42nm。 2021年7月，英特爾宣布新的節點命名方式，將其節點與物理尺寸脫勾，其中該公司首次應用EUV技術的7nm FinFET製程更名為「Intel 4」，預定於2022年下半年投產、2023年出貨。 在2015年7月，IBM宣佈以矽鍺製程做出第一個可運作的7纳米電晶體。 台积电在2017年年中推出试验产品，並於2018年第2季首先量產第一代7纳米晶片。

從一些關鍵參數來看，8nm LPP更像是三星10nm的改良加強版。 就單個電晶體本身來看，N7電晶體的溝槽接觸部份採用鈷，代替了之前的鎢，這部份的電阻因此可以減少50%。 鰭寬度、高度理論上也應當有變化(下圖橙色部份；淺綠色部份即為gate)。 縮減fin寬度實際上是讓溝道變窄了，而增加fin高度仍可維持一個相對有效的整體截面，減少寄生效應的同時可以加強有效電流、有效電容之類的特性。

7nm: 命名空间

0 近日，国产光刻机厂商上海微电子在之前90nm的基础上，宣布即将量产28nmimmersion式光刻机，在2023年交付国产第一台SSA/800-10W光刻机设备。 去年年底，英特爾宣佈 7nm（現在的 Intel 4）技術延遲讓業界大失所望，現如今 7nm 又有了新進展。 論及標準單元，這兩種方案的cell高度分別是240nm (6T/track)和300nm (7.5T/track)。 HP高性能cell可達成更高10-13%的有效驅動電流，代價是略高一點的漏電流。

更新：三星在後續發佈的5nm、4nm路線圖中，更新了其7nm LPP製程節點的資訊(早前三星定義的7nm第二代，如今似已明確為5nm LPE，原本的7nm LPE初代則已成為明確的三星7nm節點——且當前已不分LPE與LPP)。 這組資料現在看來可能並不準確——尤其是在三星後續更新了開發藍圖和節點規劃之後。 但如果就這組數字來看，是優於8nm LPP和台積電的N7、N7P的。 如果從標準單元來看，其高度縮減還是相當之大，達到了243nm(6.75T)，是8nm LPP的64%，10nm LPP的58%。 一個NAND2 cell面積為0.0394μm²，分別是8nm與10nm的54%和46%。 更具體地比較，三星10nm HD實現的電晶體密度大約51.8 MTri/mm²，8nm uHD可達成的電晶體密度為61.2 MTr/mm²。

7nm: 使用 Facebook 留言

而且N6在設計準則和IP方面相容N7，也就是說晶片設計可以共用N7相同的設計生態，如相同的工具，以直接降低開發成本。 N7的設計可以在N6節點上再次流片，在EUV光罩、解析度方面也有提升；多晶矽跨擴散層邊界與接續式擴散層設計標準單元能夠達成18%的密度提升。 外媒報導，雖然美國政府限制出口 14 奈米以上先進製程設備給中國，但中國晶圓代工廠中芯國際悄悄突破限制，開始交貨 7 奈米晶片，領先美國與歐洲半導體廠商。 目前採用三星7nm LPP製程的較知名晶片應該就是Exynos 9825了——即應用於Galaxy Note 10手機的SoC。

而在最艰难的第五代光刻机，则由长春光机所来进行研发，2008年国家“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”科技重大专项将EUV光刻技术列为“32-22nm装备技术前瞻性研究”重要攻关任务。 目前来说，光刻机共经历了五代的发展，从最早的436波长，再到第二代光刻机开始使用波长 365nm i-line，第三代则是 248nm 的 KrF 激光。 第四代就是 193nm 波长的 DUV 激光，这就是著名的 ArF 准分子激光。 光刻机发展这么久，最主要的还是所使用的光源的改进，每次光源的改进都显著提升了光刻机的工艺制程水平，以及生产的效率和良率。 中國最大晶圓代工廠中芯國際，製程已慢慢追上台積電、三星等領先晶圓代工廠，且中芯國際業績快速接近世界第三大晶圓代工廠格羅方德（GlobalFoundries），甚至利潤還較高，是因透過國家大量補助，加上挖角台積電人才。 7nm 而在將為客戶提供服務的方式上，Kelleher 表示，英特爾正試圖在有限時間內為客戶提供盡可能好的產品。

7nm: 提升製程掌握能力　摩爾定律將持續進化

但是为了追求更高的图形密度和更小的工艺节点，在普通的涂胶-曝光-显影-刻蚀工艺的基础上开发了多重曝光技术，如LELE（litho-etch-litho-etch）、SADP（self aligned double patterning）。 将SADP加倍可以得到四重图案化工艺（SAQP）,使得193nm浸润式光刻可以实现~10nm的分辨率。 俄羅斯科學院發出豪語聲稱自行研發的光刻機將於2028年問世，可生產出7nm晶片。 大陸半導體界人士對此表示，俄羅斯的想法似乎「太過天真」，俄羅斯想在6年內研發出可支持7nm晶片生產的光刻機可行性不高，且晶圓廠也不是光靠光刻機就可生產出晶片。 市場消息指出，中芯國際悄悄量產晶片，給智慧手機甚至世界最快的超級電腦等各種應用使用。

理论上193nm光刻机是可以实现7nm节点工艺制程的，但是会使得需要的光罩数量非常多，工艺复杂，量产难度大。 应当指出，即使导入EUV，也并不是所有流程均由EUV承担，主要是应用在MOS器件关键层，其它对关键尺寸要求不高的步骤将仍由普通光刻机承担。 当时ASML凭借林本坚的方案成功打败了尼康，成为了光刻机市场的龙头，第四代浸没式光刻机是无法制造7nm芯片的。 獲得客戶信任是英特爾向 IDM2.0 升級的重要一步，因此英特爾將如何處理同其他企業的關系也備受關注。 此次對話中，Kelleher 表示，英特爾改變了與設備供應商、材料供應商和 EDA 供應商的合作方式。

7nm: 命名空间

中芯國際 7 奈米製程就像台積電和英特爾 7 奈米製程，不需使用極紫外光（EUV）曝光設備。 中芯國際將製程推至 7 奈米製程，是開創性發現，因美國商務部本限制任何 14 奈米以上先進製程的半導體製造設備出口至中國。 幾乎所有中芯國際 14 奈米製程設備，也可用於 7 奈米製程，所以突破門檻不高。 TechInsights 於市場買晶片，送到實驗室研究，得到以上結果。

DIGITIMES的報導，台積電 7 奈米家族產能利用率傳出目前已跌至 50% 以下，2023 年首季跌勢加劇，高雄 7 奈米擴產亦已暫緩。 此外，透過對於7nm、8nm製程的進一步認識，也有助於搞清楚這些數字實際意味著什麼，以及「摩爾定律」(Moore’s Law)背後的這些電晶體如今究竟在以怎樣的步伐邁進。 而目前光刻机材料如电子特气、光刻胶等也在加速国产化，南大光电目前已经可以生产出7nm的光刻胶，当然，在EDA工具、IC设计上中国依然和国外有较大差距。 水可以把 193nm 的光波长折射成 134nm，这就是浸没式光刻机，也就是第四代光刻机的Pro版本。

不難發現，Exynos 9820相較於同代、相近IP方案的產品，在性能和效率方面是多有不及的。 這個鍋當然不能完全由8nm LPP製程來背，但8nm LPP也絕對是拖後腿的重要一環。 相較於台積電針對7nm的態度——仍在早期方案中採用DUV和多重曝光，三星似乎很早就鐵了心要給7nm直接上EUV。 而在7nm EUV真正成熟以前，其過渡節點是一種名為8nm LPP的製程，聽起來也就少了1nm——雖然如今的這個數字不過就是個行銷名詞罷了。 N7P在前段工序、中段工序進行了最佳化，在相同功耗條件下提升了7%的性能，相同速度下降低10%的功耗。

IPhone 11系列的蘋果 A13 SoC即採用N7P方案，今年即將量產的Snapdragon 865也用此製程——似乎有許多人對於865未採用極紫外光表示不解。 Snapdragon 855總共是67億個電晶體；其CPU部份分成三組，一個A76大核心主頻為2.84GHz、3個主頻為2.42GHz的A76核心，以及4個主頻1.80GHz的A55核心。 高通表示，在相同功耗下，2.42GHz的這組核心性能比845提升了20%，小核心則提升了超過30%——當然這也並非全部製程帶來的紅利，設計IP架構變化也相關。 中芯國際客戶 MinerVa 表示，中芯國際 7 奈米製程晶片自 2021 年 7 月開始生產。 2021 年 9 月 22 日 MinerVa 官網就更新產品訊息和圖片，是一個 19.3 平方公分的小晶片，僅用於加密貨幣挖礦。

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俄羅斯科學院納米結構研究所副所長表示，全球光刻機領導者ASML近20年來一直致力於EUV 曝光機，目標是讓世界頂尖半導體廠商保持極高的生產效率。 「那時我們在整體製程開發方面重新設定了里程碑，同時開始研究並簡化製造流程。我們在流程中增加了對 EUV 的使用，就能從原始版本切換到今年的新版本。」Kelleher 說道。 Kelleher 表示，整個產業在製程的命名上已經不再一致，如果仔細查閱相關資料，就能夠找到為什麼 「英特爾 10nm 相當於台積電 7nm」的最佳答案。 值得一提的是，台積電還有 2023 年起年出貨規模近 2000 萬台的蘋果 Mac 系列新機大單，再加上 iPhone、iPad 等蘋果常態訂單。 半導體裝置業者表示後續存全球 IC 設計客戶完成去庫存後還將擴大台積電訂單，包括博通、Marvell、聯發科等大廠。

「路線圖闡明了我們將如何恢復性能上的領先地位。鑑於我們正在向 IDM2.0，因此現在是重命名的最佳時刻。」Kelleher同時表示，目前公司將精力集中在轉型升級上，名字是甚麼並不是重點。 今年 7 月，英特爾公佈了最新的半導體製程和先進封裝路線圖：預計四年內完成 5 個節點路線推進，再一次向世界展示了英特爾的創新力。 據稱，目前大力砍單、延後出貨等一系列調整影響較大，雖然台積電 7nm 客戶眾多，但其中影響最大的還是聯發科、AMD、高通，還有訂單轉至 5/4nm 的蘋果、新單遠不如預期的英特爾，以及受限的紫光展銳、比特大陸及阿里巴巴平頭哥等。 在上述各項提升後，三星宣稱相同IDDQ(靜止狀態下VDD電源電流)下環形振盪器AC頻率提升8-10%，以及有7-10%的功耗下降。 8nm pFET觸點與eSiGe最倓化，相較於10LPP產生了大約5%的DC增益；nFET S/D(源極/漏極)與觸點最佳化，也產生了5-8%的提升。

相較於高通855的典型速度路徑，台積電7nm與三星10nm製程的速度與功耗曲線：在相同功耗下，速度提升10%；相同速度下功耗降低35%。 大陸半導體業界人士表示，俄羅斯的想法似乎太過天真，俄羅斯想在6年內研發出可支持7nm晶光刻機可行性不高，且晶圓廠並非光靠光刻機就可生產出晶片，還需要許多設備，而俄羅斯並不生產這些設備。 中芯國際可能無法取得 EUV，無法發展 7 奈米節點以下先進製程，但隨著時間過去，中芯國際應能大大提升 7 奈米產能。 7nm 反觀美國半導體企業，目前只全心希望晶片法案補助通過，強化生產力，可說是仍處於沉睡狀態，使美國逐漸失去半導體產業優勢。

2020年8月台積電在官方部落格宣布，7nm製程晶片於2018年4月正式投入量產，直至2020年7月已生產出第10億顆功能完好、沒有缺陷的晶片，達成新的里程碑。 不过，一台 EUV 光刻机重达 180 吨，超过 10 万个零件，需要 40 个集装箱运输，安装调试都要超过一年时间。 如此多的零件，一个国家想要完成，难度实在太大，国家目前打算在2035年之前实现EUV光刻机量产。 长春光机所联合中国科学院光电技术研究所、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院微电子研究所、北京理工大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学开展了“极紫外光刻关键技术研究”项目研究工作。

三星在8nm節點上並沒有採用如今廣為人知的自對準四重圖案曝光，而是LELELELE(四次LE)。 三星也是業界第一家採用LELELELE做多重曝光的，這種方案帶來了更大的設計彈性，但也伴隨更大的複雜性和問題。 採用8nm LPP相對知名的晶片也就是三星自家的Exynos 9820了，即應用於Galaxy S10手機的那款主SoC。

7nm: 傳台積電 7nm 產能利用率跌破五成，聯發科、高通、AMD 等客戶大砍單

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