麒麟990系列揭秘：突破物理極限的第二代7nm工藝

2019年柏林國際消費電子展（IFA2019）已經在今天於德國柏林開幕，正如我們所期待的那樣，華為今天在IFA2019上召開了新品發布會，推出了自家麒麟晶片的最新產品麒麟990和麒麟990 5G。

其中，全球首款旗艦5G SoC——麒麟990 5G和麒麟990的大部分規格是一致的，除了是否支持5G外，兩者只有微小區別。

▲華為消費者業務CEO余承東發布華為麒麟990系列

重新回顧一下麒麟990系列晶片的基本規格，你會發現麒麟990系列第一項比較重要的技術看點就是採用了新一代7nm+ EUV極紫外光刻技術的製程工藝。

的確，對於一款晶片而言，它製程工藝往往是發燒友們最先關注的。

那麼麒麟990系列採用的7nm+工藝節點究竟是什麼意思？這裡所謂的EUV極紫外光刻技術又是怎樣的呢？IT之家小編在這裡不妨為大家做一些詳細的解讀。

相信大家還記得，去年發布的麒麟980是全球首款採用7nm製程工藝的移動晶片，然後7nm成為旗艦移動晶片的標配。

但其實我們現在在手機上已經使用的7nm晶片並非完全的7nm工藝，或者說並沒有完全釋放出7nm的優勢，所以被稱為第一代7nm工藝，而7nm+則是第二代7nm工藝。

今年5月，7nm+工藝量產的消息就已經被公布，這是移動處理器第一次量產EUV極紫外光刻技術，在業界領先Intel、三星。

顯然，華為麒麟990系列是第一批採用7nm+製程工藝手機晶片SoC。

那麼這個7nm+工藝到底意味著什麼呢？它和第一代7nm製程工藝有什麼區別呢？

首先我們要對7nm這一製程工藝節點的困難度有一個了解。

我們知道，晶片是由海量的電晶體構成的，電晶體也是晶片最基本的層級，每個電晶體的通導和截斷代表著0和1，千萬甚至上億個電晶體代表著千萬甚至上億個0或1，也就是晶片運算的基本原理。

每個電晶體是非常小的，我們還是將那張經典的電晶體結構圖為大家展示一下：

上圖的電晶體結構中，「Gate（柵極）」可以看作是「閘」，主要負責控制兩端Source（源極）和Drain（漏級）的通斷，電流從源極流入漏極，而這時的柵極的寬度決定了電流通過時的損耗，表現出來就是發熱和功耗，寬度越窄，功耗越低。

而柵極的寬度（柵長），就是XX nm工藝中的數值。

對於晶片製造商而言，自然是力求柵極寬度越窄越好，不過當寬度逼近20nm時，柵極對電流控制能力急劇下降，漏電率相應提高，對生產工藝的難度要求也上了一個台階，不過如你我所知，這個問題已經被解決了，這裡不展開。

而當工藝繼續微縮，難度則會進一步加大，人們發現原來的解決方案又撐不住了，智能另尋他招。

所以在10nm這個節點初期，晶片廠商們也是一度難產的。

而當電晶體尺寸工藝進一步縮小，小於10nm時，則會產生量子效應，也就是我們所說的逼近物理極限，電晶體的特性將變得難以控制，這時候對於晶片的製造生產難度顯然指數級增長，不僅是技術上的難度，更需要海量的資金投入。

綜上，7nm這個節點上，製造工藝難度可想而知，所以它的發展需要有一個循序漸進的過程。

那麼具體到7nm到7nm+這兩代工藝上，到底提升在哪裡呢？

從上面的介紹中我們知道，隨著晶片工藝製程的不斷推進，晶片製造的難度也是成倍地增加。

具體到晶片製造的過程，有一個最重要的工序，是顯影和蝕刻，它的原理是：

讓光線通過帶有集成電路圖的掩膜（也叫光罩）投射到塗有光刻膠的晶圓上，形成已曝光和未曝光的「圖案」，然後通過光刻機蝕刻掉已曝光的部分。

▲圖片來自台積電官方視頻

這裡只是形象的解釋，實際過程極度複雜的，但我們需要知道的是，這個過程中光源的選擇非常重要。

選擇光源其實是選擇光的波長，波長越短，可曝光的實際尺寸就越小，這樣才能滿足工藝製程不斷精密化的要求。

在此之前最先進的是深紫外光刻（DUV），深紫外光也是一種準分子雷射，包括KrF準分子雷射，波長248 nm,，還有ArF準分子雷射，波長193 nm。

而比DUV更先進的是EUV，也就是極紫外光。

極紫外光刻的波長可達13.5nm，這個躍進是非常明顯的，顯然更適合7nm晶片的製造過程，可以很大提高電晶體的密度，並降低功耗。

IT之家通過華為處了解到，麒麟990的晶片整體面積相比980基本沒有變化，但包含的電晶體數量卻得到了大幅提升，達到驚人的103億個電晶體，這也是第一個超過100億個電晶體的晶片。

這背後，顯然和7nm+製程工藝的採用直接相關。

電晶體數量的提升，意味著晶片處理能力的提升，相比於傳統的7nm工藝，麒麟990系列的電晶體密度提升了18%，能效則提升了10%，AI運算將更省電。

這裡需要說明的是，突破DUV技術其實並非只有EUV一種解決方案，行業里其他企業也曾嘗試過其他方案，但最後的效果都不好，最後只有光刻機巨頭ASML採用的EUV光刻機笑到最後。

▲華為Fellow艾偉演講

另外就是生產7nm晶片也並不是只有EUV可以，只是EUV光刻優勢更明顯，DUV其實也可以用於生產7nm晶片，去年第一代7nm晶片採用的就還是DUV光刻技術。

▲使用EUV和DUV的ArF光刻圖像細節對比，EUV的優勢非常明顯

所以，採用EUV極紫外光刻也是第二代7nm工藝區別於第一代的關鍵，只不過這種技術難度很大，有很多難點需要解決，例如EUV光刻機的光效率只有2%左右。

且有源功率僅250W，無法滿足高效刻蝕晶圓的目的，另外空氣分子也會對EUV光線有干擾，所以進行EUV光刻時要求真空環境等等。

IT之家小編從華為處了解到，為了解決7nm+工藝的量產，華為投入了大量工藝專家進行研發，有超過5000次的驗證以及大量的實驗，其中的重點顯然也是解決EUV光刻技術應用的難點。

當然，結果我們已經知道了，7nm+製程工藝成功量產，麒麟990也第一時間用上了這一先進工藝——注意，這裡是商用，在即將於9月19日發布的華為Mate 30系列手機中，我們將真真切切地看到搭載7nm+工藝的麒麟990晶片的真實表現，IT之家小編對此也是非常期待的。

毫無疑問，隨著麒麟990系列晶片的發布，7nm+製程工藝也會像去年麒麟980引領的7nm工藝一樣，成為移動端旗艦晶片的主流製程技術標準。

而在這背後，IT之家更在意的，是華為真正將7nm這一製程節點向前推動了一大步，對於半導體產業以及移動終端行業的發展，顯然也具有重要的意義。

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