近日，多款採用4nm製程芯片的手機，被用戶吐槽存在發熱量高和功耗高等方面的問題。據了解，此次涉嫌功耗過熱的3款頂級手機芯片，分別是高通驍龍8Gen1、三星Exynos2200、聯發科天璣9000，均為目前各廠商高端芯片的代表。同時，天璣9000的生産商是&積電，Exynos2200和驍龍8Gen1的生産商是三星，為排名前兩位的芯片代工製造商。

去年年初，5nm芯片就因發熱問題被頻頻吐槽，如今4nm芯片再度陷入同樣的困境：先進工藝製程芯片存在漏電流問題，導致發熱量過高，似乎已經成為一種“魔咒”，是芯片製程工藝最大的障礙之一。芯片的製程工藝仍在不斷延伸，未來如何有效破解漏電“魔咒”已經成為整個芯片製造領域的努力方向。

短溝道效應帶來挑戰

一般情況下，根據登納徳縮放比例定律，隨着芯片尺寸的縮小，所需的電壓和電流也會下降，由於功耗會受電壓和電流的影響，當製程工藝提升、電壓和電流隨之下降時，其芯片産生的功耗也會降低。&積電&&，與7nm工藝相比，同樣性能下5nm工藝的功耗降低30%，同樣的功耗下則性能提升了15%。

然而，芯片製程進入5nm時，卻頻頻出現功耗過高的問題。北京超弦存儲器研究院執行副院長、北京航空航天大學兼職博導趙超認為，短溝道效應是造成4nm、5nm等先進工藝出現功耗問題的主要原因之一，也成為了先進製程發展過程中最大的阻礙。

半導體製造領域，集成電路的尺寸隨着摩爾定律的發展而持續縮小，溝道長度也相應地縮短，這就導致了溝道管中的S和D（源和漏）的距離越來越短。因此柵極對溝道的控制能力變差，這就意味着柵極電壓夾斷溝道的難度變大，即産生短溝道效應，從而出現嚴重的電流洩露（漏電）現象，最終令芯片的發熱和耗電失控。

“5nm、4nm芯片所採用的都是FinFET（鰭式場效應晶體管）結構。FinFET結構在芯片製程進入28nm後，相較於平面MOSFET器件結構，具有更強的柵極控制能力，FinFET結構可通過增加柵極與溝道的接觸面積，來增強對導電溝道的控制。溝道接觸面積的增加，可以從一定程度上緩解短溝道效應，從而將芯片製程繼續延伸。然而，隨着芯片製程逐漸發展到5nm及5nm以下，採用FinFET結構先進製程的芯片，也出現了短溝道效益造成的漏電現象，這也與FinFET本身的結構有關。FinFET所採用的是三面柵的結構，並非四面環繞式的結構，其中一個方向沒有柵極的包裹。隨着芯片製程的不斷減小，FinFET三面柵的結構對於漏電的控制能力也在逐漸減弱，造成芯片再次出現功耗問題。”趙超&&。

如何破解漏電“魔咒”？

未來芯片製程仍將繼續向3nm甚至2nm延伸，人們也在積極考慮如何解決漏電流所導致的功耗與發熱問題，包括更換新材料、採用新架構——GAA（環繞式柵極）等，以期打破長久以來存在的漏電“魔咒”。

在材料方面，趙超介紹，採用具有高介電常數的柵介質材料替代原本的二氧化硅材料，可有效解決短溝道效應造成柵極漏電的問題。而二氧化鉿屬於高介電常數的材料，以二氧化鉿替代二氧化硅作為柵介質材料，可有效提高介電常數，減少漏電情況，並有效增加電容荷電的能力。

同時，隨着芯片製程的延伸，採用四面環柵結構的GAA技術逐漸受到更多關注。復旦大學微電子學院副院長周鵬&&，相較於三面圍柵的FinFET結構，GAA技術的四面環柵結構可以更好地抑制漏電流的形成以及增大驅動電流，進而更有利於實現性能和功耗之間的有效平衡。因此，GAA技術在5nm之後更小的製程中，更受到業界的普遍認可和青睞。

然而，無論是新材料，還是GAA技術，都難以在短時間內解決問題。有研究人員發現，若想在碳納米管晶體管中使用二氧化鉿來替代二氧化硅成為柵極電介質材料也存在困難，二氧化鉿同樣難以在所需的薄層中形成高介電常數的電介質。

GAA結構實現量産同樣困難重重。據了解，近期三星採用GAA結構打造的3nm芯片，良率僅在10%~20%之間。而&積電在其第一代3nm製程中仍將採用FinFET工藝。

“在半導體領域當中，任何一種技術的轉換或更迭，往往都需要經歷多年的試錯和改進。GAA結構雖然在5nm以下的製程中具有較為明顯的優勢，但其最終能否實現預期的高性能和低功耗，還取決於其製程中所面臨的技術難題能否被一一攻克。”周鵬説。

4nm並非噱頭

對於此次4nm芯片出現功耗問題，也有消費者質疑，4nm是否只是一個商業噱頭？4nm與5nm技術實則並無太大差異，否則為何高功耗、高發熱的問題依然如故？

一般而言，對於芯片工藝的名稱數字，是以0.7倍的節奏演進的，例如，14nm工藝之後，完整的工藝迭代應當是10nm（14nm×0.7≈10nm），10nm之後是7nm，7nm之後是5nm。若按此規則演進，5nm後究竟應該是4nm還是3nm，在四捨五入規則下似乎並不明確。但在代工廠的約定俗成下，5nm的完整工藝迭代應為3nm。因此，4nm應當屬於5nm和3nm的過渡工藝，其角色定位與此前推出的8nm（10nm和7nm的過渡工藝）、6nm（7nm和5nm的過渡工藝）類似。在各代工廠3nm工藝紛紛延後的情況下，4nm出現的價值似乎在於填補這一時間內的市場空白。

然而，這並不意味着4nm工藝等同於5nm。4nm工藝雖然不屬於5nm工藝的“完整迭代”，但也是“同代演進”。&積電曾承諾，其最新4nm工藝，比5nm的性能提升11%，能效提高22%。

對此有專家解釋，造成4nm工藝芯片出現功耗問題的因素有很多，難以一概而論。架構、器件等都是影響芯片最終性能的因素。同樣被稱為4nm工藝芯片，&積電和三星的芯片工藝細節也大為不同。隨着摩爾定律的不斷演進，芯片尺寸的縮小幅度已經非常有限，不能成為衡量芯片工藝製程演進的唯一標準。（記者 沈叢）