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台积电 5 纳米吊打英特尔 10 纳米?别纠结了,这只是 “数字游戏”

2020-10-14 10:35:36 IT之家 汐元 编辑:玉米 浏览数:34集趣网

北京时间 9 月 16 日,苹果在秋季第一场新品发布会上推出了自家新一代旗舰芯片 A14 Bionic,采用了台积电的 5nm 制程工艺。而就在不久之前的 9 月 3 日凌晨,英特尔推出了 11 代移动酷睿处理器,采用的...

北京时间 9 月 16 日,苹果在秋季第一场新品发布会上推出了自家新一代旗舰芯片 A14 Bionic,采用了台积电的 5nm 制程工艺。

而就在不久之前的 9 月 3 日凌晨,英特尔推出了 11 代移动酷睿处理器,采用的仍然是 10nm 工艺,并且还用了 SuperFin 技术来改善上一代 10nm 的不足。

如果只从制程工艺推进的情况来看,英特尔已经落后台积电两代。

回想 2014 年英特尔推出首款 14nm 处理器的时候,台积电还停留在 20nm。只是大家都没想到英特尔在 14nm 节点上停留了 5 年,直到 2019 年他们才推出 10nm 的处理器。

在这 5 年时间里,台积电后来居上,现在已经在工艺上领先了英特尔,明年他们就要上马 3nm 了,而英特尔大概率还会在 10nm 上停留。

看到这里,IT之家小伙伴们可能要问,曾经领先的芯片巨头英特尔,现在怎么就干不过台积电了?

进而就会引出一些问题,例如:英特尔笔记本处理器上的 x 纳米和我们手机上的 x 纳米是一回事吗?这 “x 纳米”到底代表什么意思?

今天IT之家就和大家一起了解一番。

倒着推,我们首先要知道大家经常挂在嘴边的 “x 纳米”、“x 纳米”到底是什么。

这个话题讲细了,得涉及到半导体晶体管层面了。

还记得IT之家在《中国芯片新篇(二):跨越式进击,第三代半导体》这篇文章里和大家讲的 “PN 结”吗?

大家在阅读下面的内容前,一定先要看上面这篇文章的介绍,因为彼此紧密相连。

“PN 结”是制造晶体管要利用的基本特性,而晶体管和我们说的 “x 纳米”紧密相关。

晶体管的种类有很多,具体内容相当复杂。为了方便大家理解,这里我们只抽取基本的原理来说明。

在上面这篇文章中我们讲到,“PN 结”形成时,我们可以通过外置电压来控制电流的通断。

我们以一个 NPN 半导体三极管为例。

它是用两个 N 型半导体夹住一个 P 型半导体,相当于将两个 PN 结拼起来,显然这时候整体是不导电的。

而且,由于这两个 PN 结的内建电场是相反的,因此无论我们对整体施加正向还是反向的电压,都只能打通其中一个 PN 结,无法让整体导电。

那怎样让整体导电呢?答案是需要再增加一个电压。

例如我们在左边的 PN 结中引入电源,其中左边的 N 型半导体施加负电压,P 型半导体施加正电压。

这时反向的外置电场就会打通左边的 “PN 结”,让自由电子从 N 流向 P。

其中有少许电子会沿着电源正极流向负极,然后回到 N,如此循环。

与此同时,在整体上,我们也施加电源,其中左边的 N 型半导体施加负电压,右边的 N 型半导体施加正电压,

这时候,刚才从 N 到 P 的电子有很大一部分会在电场力作用下跨过 P,来到 N,然后从电源正极流向负极,回到左边的 N。

这时候,整体就导电了。

上面的介绍可能有些绕,大家可以辅助下面这张动图来看:

调整第一个电源的电压,就可以对整体电流起到放大或控制通断的效果。

这就是晶体管工作的基本原理。

了解了这些,我们就来看看现在常用的 MOSFET(金属 - 氧化物半导体场效应晶体管)是怎样的。

下面是一种 NMOSFET 的横截面图示:

它由一块 P 型半导体做衬底,然后在衬底左右两边挖两个沟,“塞进”N 型半导体,构成了 “NPN”的结构,和我们刚才讲的一样。

左边的 N 型半导体上有一个电极,我们叫它 “源极(Source)”,右边的 N 型半导体上也有一个电极,叫做 “漏极(Drain)”,两者中间还有一个电极,叫 “栅极(Gate)”。

我们的目标是让电子从源极进入,经过中间的 P 型半导体,从漏极出来

能出来,说明晶体管通电,代表 “1”;

出不来,说明晶体管断电,代表 “0”。

我们现在在源极加上负电压,漏极加上正电压,试图让晶体管通电。

但是,通过刚才的说明我们知道,由于 “PN 结”的存在,电子是不能经过 P 型半导体抵达漏极的。也就是没法通电。

怎么办呢?

我们就在中间的栅极上加一个正电压。

参照刚才那个例子,这时候,电子就能穿过 P 型半导体,来到漏极了,也就是半导体通电了。

关掉栅极上的电压,就又断电了。

可以看到,这个栅极很重要,它起到控制晶体管通电和断电的重要作用。

关键来了:这个栅极的宽度,其实就是我们所说的芯片的制程工艺

它的宽度为 14nm,就表明这个芯片的制程为 14nm,它的宽度为 5nm,那么这个芯片的制程就是 5nm。

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