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技术派分析:台积电16nm工艺为什么好过三星14nm?
2021-10-21 00:40
本文摘要:最近,关于iPhone6sA9处理器版本的事情的话题很热,最后都闹得到苹果被迫出来说明的地步,再行不评判苹果一再强调的整机综合续航差2~3%的准确性,但是三星14nm工艺比起台积电16nm工艺较好早已可以说道是板上钉钉的事了。 那么问题来了,工艺不是纳米数就越小就就越好吗?14nm怎么会比16nm还差呢?这个问题不仅小白消费者疑惑了,连看起来专业的Anandtech和GeekBench的人也回应为难。

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最近,关于iPhone6sA9处理器版本的事情的话题很热,最后都闹得到苹果被迫出来说明的地步,再行不评判苹果一再强调的整机综合续航差2~3%的准确性,但是三星14nm工艺比起台积电16nm工艺较好早已可以说道是板上钉钉的事了。  那么问题来了,工艺不是纳米数就越小就就越好吗?14nm怎么会比16nm还差呢?这个问题不仅小白消费者疑惑了,连看起来专业的Anandtech和GeekBench的人也回应为难。

只不过对这个结果,确实半导体领域尤其是工艺领域的从业人员是有预期的,其中的原因也是十分确切的,既然大家有这么多疑惑,我就尽可能用通俗易懂的方式说明给大家讲出。  要说明确切台积电16nm好于三星14nm这个问题,首先要问下面几个问题:  1、为什么工艺就越先进设备(纳米数就越较低),功耗和性能都会提高?  2、在每个工艺节点(纳米数非常)上,否也某种程度不存在有所不同的功耗和性能的工艺自由选择?  3、Finfet又是什么?  4、台积电和三星都在明确的工艺构建上做到了哪些自由选择,最后造成台积电16FF+比起三星14LPE优于  为什么工艺就越先进设备(纳米数就越较低),功耗水平和性能都会提高?  这要从晶体管想起了:  关于半导体基础知识,外面的专业文章一搜一大把,但是都不是给正常人看的,所以我就把那些曲线和拗口的各种材料名扔到一旁,让事情非常简单一点,用个最简单的模型给大家介绍。上面这副示意图中就是一个典型的半导体晶体管。

其中两个绿色的部分分别是晶体管的两级,类似于电池的两级。红色的部分就是用来掌控这两个电极的通断的,而通断分别对应数字化时间的1和0,所以所谓数字化世界只不过也就是十分十分十分多的晶体管的通断变化人组出来的。红色Gate的宽度就是我们一般来说所说的沟槽宽度或者线宽,我们一般来说说道的多少多少nm就是指的这个宽度。大家留意这可是纳米,1000纳米=1微米,1000微米=1毫米,大家这上有概念了吧。

  那么这个Gate的相间为什么不会影响性能和功耗呢?再行说道性能,性能好意味著在一定的时间腊更加多的事,在处理器里就是更好的运算,我们可以当半导体晶体管每次0/1变化就算一次运算,那么那个红色Gate就越长,两个绿色电极就越大,造成他们必要相连一次的时间就不会就越宽。这就只不过一个人在10分钟里做到25m来往跑完的次数认同比50m来往跑完的次数多一样。所以Gate就越小,晶体管一次状态变化的所需时间就不会越高,单位时间的工作次数就不会越少,一堆晶体管单位时间可做的运算大自然就更加多,所以性能更佳。

  再说说道功耗。Gate是通过特电压协助两个绿色电极通电的,而Gate就越长,就必须更高的电压才能导通两极,Gate就越较宽,导通就更容易,所需的电压也就就越较低。这很更容易解读,离得将近更容易合,离得近不更容易合,要通就必须使更大的力气。

那么习过基础电学科学知识的都告诉功耗的大小与电压的平方成正比(如下:)  P(功率)=V2(电压的平方)  R(电阻)  所以导通电压的上升是新工艺需要降低功耗的主要因素。还有一个因素,即便是电压完全相同,通过导体的面积和长度就越小,电流也不会就越小。更加小的Gate等于是增大的导体,因此也不会增加功耗。

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  就是这些原因带给了先进设备工艺(更加较宽的Gate)带给的益处,那么这个益处有多大呢?下面一组数据是几个典型工艺的适当性能、功耗的改良数据,我们看见还是很相当可观的。这也是半导体厂商追赶工艺的一个最重要的原因。

  在每个工艺节点(纳米数非常)上,也不会有很多有所不同性能功耗水平的版本  Gate的宽度是工艺特性的一个主要因素,更加精确的说道是要求了一代工艺的特性范围。由于三星和台积电在技术来源上不存在一些有所不同,我们不会看见一些明确数值上的差异,但是同代工艺实质上在总的范围上是类似于的。下表是三星和台积电同代工艺的大体对应关系,所以三星的14nm和台积电16nm是同代工艺。

  在每代工艺的特性范围内,还有其它很多因素影响着工艺的性能和功耗水平。再行说道两个数据大家感觉一下,28nm的Wafer(晶圆)生产过程中必须做到40多层Mask,而用了FinFet技术的14/16nm,堪称必须近60层的Mask。

所以大家千万不要以为确认了Gate的宽度,就什么都以定了,只不过这好几十层的工艺过程中,还是有很多有所不同的材料和设计可以带给有所不同的性能功耗差异。  下表格就是指台积电官网拷贝下来的一个表格,是台积电的28nm工艺下的有所不同版本列表,有5个之多,而且特性差距也是很显著的。其中28HPM和28LP是手机芯片的两个常用的工艺。

28HPM比起28LP仅次于有所不同是在晶体管Gate底部使用了High-K的材料,通过这个可以明显提高性能和功耗。明确什么是High-K我们这里就不进行了,大家只要告诉同代工艺的有所不同版本也不会有有所不同的特性就讫。

这样便于解读三星14nm和台积电16nm作为同代工艺,但在实际特性上不会不存在一定的差异。  Finfet又是什么?。


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