麒麟990系列揭秘突破物理极限的第二代7nm工艺

　　2019年柏林国际消费电子展（IFA2019）已经在今天于德国柏林开幕，正如我们所期待的那样，华为今天在IFA2019上召开了新品发布会，推出了自家麒麟芯片的最新产品麒麟990和麒麟990 5G。其中，全球首款旗舰5G SoC——麒麟990 5G和麒麟990的大部分规格是一致的，除了是否支持5G外，两者只有微小区别。
　　▲华为消费者业务CEO余承东发布华为麒麟990系列
　　重新回顾一下麒麟990系列芯片的基本规格，你会发现麒麟990 5G第一项比较重要的技术看点就是采用了新一代7nm+ EUV极紫外光刻技术的制程工艺。的确，对于一款芯片而言，它制程工艺往往是发烧友们最先关注的。那么麒麟990 5G采用的7nm+工艺节点究竟是什么意思？这里所谓的EUV极紫外光刻技术又是怎样的呢？IT之家小编在这里不妨为大家做一些详细的解读。
　　相信大家还记得，去年发布的麒麟980是全球首款采用7nm制程工艺的移动芯片，然后7nm成为旗舰移动芯片的标配。但其实我们现在在手机上已经使用的7nm芯片并非完全的7nm工艺，或者说并没有完全释放出7nm的优势，所以被称为第一代7nm工艺，而7nm+则是第二代7nm工艺。
　　今年5月，7nm+工艺量产的消息就已经被公布，这是移动处理器第一次量产EUV极紫外光刻技术，在业界领先Intel、三星。
　　显然，华为麒麟990 5G是第一批采用7nm+制程工艺手机芯片SoC。那么这个7nm+工艺到底意味着什么呢？它和第一代7nm制程工艺有什么区别呢？
　　首先我们要对7nm这一制程工艺节点的困难度有一个了解。
　　我们知道，芯片是由海量的晶体管构成的，晶体管也是芯片最基本的层级，每个晶体管的通导和截断代表着0和1，千万甚至上亿个晶体管代表着千万甚至上亿个0或1，也就是芯片运算的基本原理。每个晶体管是非常小的，我们还是将那张经典的晶体管结构图为大家展示一下：
　　上图的晶体管结构中，＂Gate（栅极）＂可以看作是＂闸＂，主要负责控制两端Source（源极）和Drain（漏级）的通断，电流从源极流入漏极，而这时的栅极的宽度决定了电流通过时的损耗，表现出来就是发热和功耗，宽度越窄，功耗越低。而栅极的宽度（栅长），就是XX nm工艺中的数值。
　　对于芯片制造商而言，自然是力求栅极宽度越窄越好，不过当宽度逼近20nm时，栅极对电流控制能力急剧下降，漏电率相应提高，对生产工艺的难度要求也上了一个台阶，不过如你我所知，这个问题已经被解决了，这里不展开。而当工艺继续微缩，难度则会进一步加大，人们发现原来的解决方案又撑不住了，只能另寻他招。所以在10nm这个节点初期，芯片厂商们也是一度难产的。
　　而当晶体管尺寸工艺进一步缩小，小于10nm时，则会产生量子效应，也就是我们所说的逼近物理极限，晶体管的特性将变得难以控制，这时候对于芯片的制造生产难度显然指数级增长，不仅是技术上的难度，更需要海量的资金投入。综上，7nm这个节点上，制造工艺难度可想而知，所以它的发展需要有一个循序渐进的过程。
　　那么具体到7nm到7nm+这两代工艺上，到底提升在哪里呢？
　　从上面的介绍中我们知道，随着芯片工艺制程的不断推进，芯片制造的难度也是成倍地增加。具体到芯片制造的过程，有一个最重要的工序，是显影和蚀刻，它的原理是：
　　让光线通过带有集成电路图的掩膜（也叫光罩）投射到涂有光刻胶的晶圆上，形成已曝光和未曝光的＂图案＂，然后通过光刻机蚀刻掉已曝光的部分。
　　▲图片来自台积电官方视频
　　这里只是形象的解释，实际过程极度复杂的，但我们需要知道的是，这个过程中光源的选择非常重要。选择光源其实是选择光的波长，波长越短，可曝光的实际尺寸就越小， 这样才能满足工艺制程不断精密化的要求。
　　在此之前最先进的是深紫外光刻（DUV），深紫外光也是一种准分子激光，包括KrF准分子激光，波长248 nm,，还有ArF准分子激光，波长193 nm。而比DUV更先进的是EUV，也就是极紫外光。
　　极紫外光刻的波长可达13.5nm，这个跃进是非常明显的，显然更适合7nm芯片的制造过程，可以很大提高晶体管的密度，并降低功耗。IT之家通过华为处了解到，麒麟990的芯片整体面积相比980基本没有变化，但包含的晶体管数量却得到了大幅提升，达到惊人的103亿个晶体管，这也是第一个超过100亿个晶体管的芯片。 这背后，显然和7nm+制程工艺的采用直接相关。晶体管数量的提升，意味着芯片处理能力的提升，相比于传统的7nm工艺，麒麟990系列的晶体管密度提升了18%，能效则提升了10%，AI运算将更省电。
　　这里需要说明的是，突破DUV技术其实并非只有EUV一种解决方案，行业里其他企业也曾尝试过其他方案，但最后的效果都不好，最后只有光刻机巨头ASML采用的EUV光刻机笑到最后。
　　▲华为Fellow艾伟演讲
　　另外就是生产7nm芯片也并不是只有EUV可以，只是EUV光刻优势更明显，DUV其实也可以用于生产7nm芯片， 去年第一代7nm芯片采用的就还是DUV光刻技术。
　　▲使用EUV和DUV的ArF光刻图像细节对比，EUV的优势非常明显
　　所以，采用EUV极紫外光刻也是第二代7nm工艺区别于第一代的关键，只不过这种技术难度很大，有很多难点需要解决，例如EUV光刻机的光效率只有2%左右。且有源功率仅250W，无法满足高效刻蚀晶圆的目的，另外空气分子也会对EUV光线有干扰，所以进行EUV光刻时要求真空环境等等。IT之家小编从华为处了解到，为了解决7nm+工艺的量产，华为投入了大量工艺专家进行研发，有超过5000次的验证以及大量的实验，其中的重点显然也是解决EUV光刻技术应用的难点。
　　当然，结果我们已经知道了，7nm+制程工艺成功量产，麒麟990也第一时间用上了这一先进工艺——注意，这里是商用，在即将于9月19日发布的华为Mate 30系列手机中，我们将真真切切地看到搭载7nm+工艺的麒麟990芯片的真实表现，IT之家小编对此也是非常期待的。
　　毫无疑问，随着麒麟990 5G芯片的发布，7nm+制程工艺也会像去年麒麟980引领的7nm工艺一样，成为移动端旗舰芯片的主流制程技术标准。 而在这背后，IT之家更在意的，是华为真正将7nm这一制程节点向前推动了一大步，对于半导体产业以及移动终端行业的发展，显然也具有重要的意义。
　　推荐阅读：
　　《华为发布全球首款旗舰5G SoC麒麟990：支持SA/NSA，集成5G基带》
　　《一图看懂华为麒麟990 5G和麒麟990芯片区别》
　　《华为Mate 30系列将首发搭载麒麟990处理器，9月19日发布》
　　《一张图读懂麒麟990系列处理器》