为什么说 3nm 是现在芯片制程的天花板？
几个高赞回答都提到了物理制程和标称制程是不一样的。物理制程有天花板，而厂商所说的3nm、2nm更像是一种命名游戏或宣传噱头，这些数字都不再代表实际导电沟道的尺寸，并且由于标准不一样，这些数字所衡量的位置没有统一的标准，同样是 7nm，物理大小也许完全不一样， 5 nm也可能比 7 nm更大，很难说谁比谁更先进。但为什么人们不再用真实的工艺命名？为什么衡量工艺的“标准”一下混乱起来？在这背后，人类实际上经历了一次「技术路线的终结」和一次涅槃性的突破。我们曾经做过一个视频解释了这一历程，芯片卷纳米数，真进步还是假话术视频对于差点终结人类算力进步的「漏电」问题，以及胡正明的解决方案介绍的比较简单，下面我们展开说说。（也欢迎移步腾讯视频或b站搜索观看完整视频）一切从芯片的构造和原理说起。拆开一枚芯片，构成芯片最基本的单元是晶体管。它是一个开关，能在导电和绝缘两种状态之间反复横跳，对应着电脑中的信号 1 和信号 0。决定是「开」还是「关」的是这里的电压。电压是被加载在中间这块导电的金属上的，它叫做栅极。一会导电一会绝缘的地方是下方的半导体，其实就是硅本身。硅里面被掺入了其他原子，根据掺杂的原子种类的不同，半导体的部分又被分为源级、漏级、衬底。由于掺入了不同的原子，源极、漏极的内部都是导电的，而它们之间的部分并不导电。随着电压一点点被施加，中间绝缘部分的表面会渐渐形成一个可以导电的区域，将源和漏导通在一起。它叫导电沟道，虽然名字叫沟道，但它其实是半导体表面一个非常非常薄的可以导电的薄层。通常，人们用导电沟道的长度代表晶体管的工艺，或者说晶体管有多小，比如 32 纳米工艺说的就是这里。而这种平面型晶体管（也叫MOS管）的特殊性能决定了，它的沟道越短，性能越好。这是非常神奇的特性，因为对于大部分晶体管而言，变小的最大限制是发热，如果上亿份热量集中到1 平方厘米的面积，工作时散发的热量本身就可以把芯片烧毁。只有 MOS 管能在 1 平方厘米的空间内堆满上百万甚至上亿个，因为当一个 MOS 管变小时，一切都会变得更好：功耗下降，与功耗相伴的发热也随之降低，甚至每一个管的速度也会变得更快。 但是，当沟道长度缩短到一定程度时，会发生一个现象——漏电！漏电是什么？还是拿平面型 MOS 管举例，源极接地，也就是 0V；漏极接正的电源电压，假如说是 5V；绝缘体外的栅极接输入信号，也就是在 0V 和 5V 之间来回跳转，它们分别代表信号 0，信号 1。这便是 MOS 管日常的工作状态。当尺寸小的一定程度时，半导体会误把漏极的电压当成栅极的电压，形成持续的漏电流。这会让晶体管一直处于半导通的状态，持续耗电，让整体的功耗增加，也无法清晰区分信号0和1。最初解决漏电的办法是让有用的电压信号重获控制权，也就是让中间的绝缘体变薄，让栅极电压距离半导体近一些。更薄的绝缘体让栅极的信号距离更近，对抗漏极电压干扰的能力越强。当绝缘体厚度接近一层原子的厚度时，就不能变得更薄了，也就是零点几纳米。此时对应的沟道长度是 35 纳米，也就是这种晶体管的终结。也就是说，35nm芯片就是这一制程的极限。无法解决漏电，芯片就不可能再小了！20世纪80年代，大家就已经发现了这一局限，此后各种方案陆续登场，但或是技术或是成本的原因，这些方案又被一次次抛弃。大家预测，2010 年工艺将来到 35 nm，也就是算力的末日。但我们现在都在讨论3nm的芯片是不是芯片制程的天花板了，这中间发生了啥？这就不得不说到一个华人科学家胡正明，是他打破了这一魔咒。1999年，他发现，半导体越薄，漏电流越小，只要够薄，就能解决漏电。回看胡正明的工作其实并不复杂，他只回答了一个问题：漏电流会从哪里经过呢？你可能会问，这有什么值得研究的，既然导通时电流从导电沟道经过，漏电不也该发生在这里吗？还真不是。胡正明给出了一个不一样的结论——经过计算和模拟，漏电发生的位置比人们猜想的更深。就像下方的示意图，颜色越红，代表电流密度越大，可以看到漏电发生在更深的地方，而不是导电沟道附近。所以之前的科学家努力的方向好像都不太对，如果漏电发生在深处而不是表面，将绝缘体做薄，栅极有用的信号确实会距离漏电的地方更近一些，但已经不足以和干扰拉开差距，再薄的氧化物也鞭长莫及。于是一个更离谱的想法诞生了。漏电发生在半导体深处，那如果更深的地方没有半导体存在，漏电流不久也跟着消失了吗？把这个看似天真到有点傻的办法转变成正经的科学研究就是这样：下图的三个半导体，从右到左，越来越薄，图中的颜色越绿、越蓝，代表漏电流越小。漏电，只要足够薄就能解决。但是，在三维软件中将一块半导体变薄十分简单，在现实中却极其复杂，并且十分昂贵。怎样把这个薄薄的东西造出来，还要保证足够便宜呢？——一个诡异的想法在胡正明的大脑中诞生。还是原来厚厚的平面型晶体管，如果能把上面这一层掀起来，掀个 90 度，立在硅表面，一个超薄晶体管就形成了。只不过这个超薄晶体管是立着放的。源极、漏极、栅极、导电沟道，还和原来一样。这个尺寸，也就是晶体管的厚度，决定了漏电流的大小。像现在这么薄时，漏电流就可以忽略了。这种方案，还能在有限空间内放下更多的超薄晶体管。我们可以把这个薄片复制几份，像这样一起立在硅上。既然晶体管已经立起来了，它们的栅极和其他金属也要找个新位置。只需要直接盖上一条金属，当做它们共同的栅极，4 个立起来的晶体管就完成了。令人难以置信的是，造这样一个奇葩的结构，要比直接减薄的方案更便宜，也更容易。要理解这个反常的结论，我们首先要探寻厚厚的老式平面型晶体管其中的一个细节——STI（Shallow Trench Isolation浅槽隔离）。这个名称其实还挺形象的，其实就是在硅片上挖许多槽，用绝缘的氧化物填满。厚厚的老式平面型晶体管生长在这些槽之间。这样一来绝缘槽就能将晶体管隔离起来，防止两个晶体管之间相互干扰。既然已经挖槽了，那么挖的稍微密一些，深一些，在工艺上也不会太难做。于是，一个个高高立起的薄片形成了。仔细看，如果你不把挖下去的地方当成槽，而是把这个突起的薄片当成一个立着的薄晶体管，胡正明的想法就实现了，还是我们熟悉的栅极、源极、漏极，而导电沟道在这里。这里越薄，漏电流就越小到可以忽略。立起来的一个个超薄晶体管如同鱼鳍，人们给它起了一个形象的名字——FinFET，鳍式场效应晶体管。FinFET 的想法在 1999 年诞生，十年后，平面型晶体管进入 32nm 的时代，正如当初的预言，这已经是平面型晶体管的极限。2011 年，第一批使用 FinFET 工艺的处理器问世，人们终于突破了 30 nm的魔咒，进入了 20 nm的时代。回到题主的问题，在30nm以前的时代，我们确实可以说，数字越小，很大程度代表芯片的性能越好。但此后厂家宣传的 22 nm、14 nm、7 nm、3 nm，都不再代表导电沟道的尺寸。由于标准不一样，这些数字所衡量的位置没有统一的标准，很难说3nm就一定比5nm更先进。不过，随着尺寸进一步减小， FinFET 也相继出现了漏电以及漏电意外的其他问题，FinFET 的尺寸极限也许并不遥远，这会是物理制程的天花板吗？ 来源：知乎 www.zhihu.com 作者：青工所助理研究员 【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。 点击下载 此问题还有 68 个回答，查看全部。 延伸阅读： 你对 IBM 发布的 2nm 芯片制造技术有什么看法？ 如何看待 5nm 芯片设计开发成本飙升？
几个高赞回答都提到了物理制程和标称制程是不一样的。物理制程有天花板，而厂商所说的3nm、2nm更像是一种命名游戏或宣传噱头，这些数字都不再代表实际导电沟道的尺寸，并且由于标准不一样，这些数字所衡量的位置没有统一的标准，同样是 7nm，物理大小也许完全不一样， 5 nm也可能比 7 nm更大，很难说谁比谁更先进。
但为什么人们不再用真实的工艺命名？为什么衡量工艺的“标准”一下混乱起来？在这背后，人类实际上经历了一次「技术路线的终结」和一次涅槃性的突破。
我们曾经做过一个视频解释了这一历程，芯片卷纳米数，真进步还是假话术
视频对于差点终结人类算力进步的「漏电」问题，以及胡正明的解决方案介绍的比较简单，下面我们展开说说。（也欢迎移步腾讯视频或b站搜索观看完整视频）
一切从芯片的构造和原理说起。
拆开一枚芯片，构成芯片最基本的单元是晶体管。它是一个开关，能在导电和绝缘两种状态之间反复横跳，对应着电脑中的信号 1 和信号 0。决定是「开」还是「关」的是这里的电压。
电压是被加载在中间这块导电的金属上的，它叫做栅极。一会导电一会绝缘的地方是下方的半导体，其实就是硅本身。硅里面被掺入了其他原子，根据掺杂的原子种类的不同，半导体的部分又被分为源级、漏级、衬底。
由于掺入了不同的原子，源极、漏极的内部都是导电的，而它们之间的部分并不导电。
随着电压一点点被施加，中间绝缘部分的表面会渐渐形成一个可以导电的区域，将源和漏导通在一起。它叫导电沟道，虽然名字叫沟道，但它其实是半导体表面一个非常非常薄的可以导电的薄层。通常，人们用导电沟道的长度代表晶体管的工艺，或者说晶体管有多小，比如 32 纳米工艺说的就是这里。
而这种平面型晶体管（也叫MOS管）的特殊性能决定了，它的沟道越短，性能越好。这是非常神奇的特性，因为对于大部分晶体管而言，变小的最大限制是发热，如果上亿份热量集中到1 平方厘米的面积，工作时散发的热量本身就可以把芯片烧毁。只有 MOS 管能在 1 平方厘米的空间内堆满上百万甚至上亿个，因为当一个 MOS 管变小时，一切都会变得更好：功耗下降，与功耗相伴的发热也随之降低，甚至每一个管的速度也会变得更快。
但是，当沟道长度缩短到一定程度时，会发生一个现象——漏电！
漏电是什么？还是拿平面型 MOS 管举例，源极接地，也就是 0V；漏极接正的电源电压，假如说是 5V；绝缘体外的栅极接输入信号，也就是在 0V 和 5V 之间来回跳转，它们分别代表信号 0，信号 1。这便是 MOS 管日常的工作状态。
当尺寸小的一定程度时，半导体会误把漏极的电压当成栅极的电压，形成持续的漏电流。这会让晶体管一直处于半导通的状态，持续耗电，让整体的功耗增加，也无法清晰区分信号0和1。
最初解决漏电的办法是让有用的电压信号重获控制权，也就是让中间的绝缘体变薄，让栅极电压距离半导体近一些。更薄的绝缘体让栅极的信号距离更近，对抗漏极电压干扰的能力越强。
当绝缘体厚度接近一层原子的厚度时，就不能变得更薄了，也就是零点几纳米。此时对应的沟道长度是 35 纳米，也就是这种晶体管的终结。也就是说，35nm芯片就是这一制程的极限。无法解决漏电，芯片就不可能再小了！20世纪80年代，大家就已经发现了这一局限，此后各种方案陆续登场，但或是技术或是成本的原因，这些方案又被一次次抛弃。大家预测，2010 年工艺将来到 35 nm，也就是算力的末日。
但我们现在都在讨论3nm的芯片是不是芯片制程的天花板了，这中间发生了啥？
这就不得不说到一个华人科学家胡正明，是他打破了这一魔咒。
1999年，他发现，半导体越薄，漏电流越小，只要够薄，就能解决漏电。
回看胡正明的工作其实并不复杂，他只回答了一个问题：漏电流会从哪里经过呢？你可能会问，这有什么值得研究的，既然导通时电流从导电沟道经过，漏电不也该发生在这里吗？
还真不是。
胡正明给出了一个不一样的结论——经过计算和模拟，漏电发生的位置比人们猜想的更深。就像下方的示意图，颜色越红，代表电流密度越大，可以看到漏电发生在更深的地方，而不是导电沟道附近。
所以之前的科学家努力的方向好像都不太对，如果漏电发生在深处而不是表面，将绝缘体做薄，栅极有用的信号确实会距离漏电的地方更近一些，但已经不足以和干扰拉开差距，再薄的氧化物也鞭长莫及。
于是一个更离谱的想法诞生了。漏电发生在半导体深处，那如果更深的地方没有半导体存在，漏电流不久也跟着消失了吗？
把这个看似天真到有点傻的办法转变成正经的科学研究就是这样：
下图的三个半导体，从右到左，越来越薄，图中的颜色越绿、越蓝，代表漏电流越小。
漏电，只要足够薄就能解决。但是，在三维软件中将一块半导体变薄十分简单，在现实中却极其复杂，并且十分昂贵。怎样把这个薄薄的东西造出来，还要保证足够便宜呢？——一个诡异的想法在胡正明的大脑中诞生。
还是原来厚厚的平面型晶体管，如果能把上面这一层掀起来，掀个 90 度，立在硅表面，一个超薄晶体管就形成了。只不过这个超薄晶体管是立着放的。源极、漏极、栅极、导电沟道，还和原来一样。
这个尺寸，也就是晶体管的厚度，决定了漏电流的大小。像现在这么薄时，漏电流就可以忽略了。
这种方案，还能在有限空间内放下更多的超薄晶体管。我们可以把这个薄片复制几份，像这样一起立在硅上。
既然晶体管已经立起来了，它们的栅极和其他金属也要找个新位置。只需要直接盖上一条金属，当做它们共同的栅极，4 个立起来的晶体管就完成了。令人难以置信的是，造这样一个奇葩的结构，要比直接减薄的方案更便宜，也更容易。
要理解这个反常的结论，我们首先要探寻厚厚的老式平面型晶体管其中的一个细节——STI（Shallow Trench Isolation浅槽隔离）。这个名称其实还挺形象的，其实就是在硅片上挖许多槽，用绝缘的氧化物填满。厚厚的老式平面型晶体管生长在这些槽之间。这样一来绝缘槽就能将晶体管隔离起来，防止两个晶体管之间相互干扰。
既然已经挖槽了，那么挖的稍微密一些，深一些，在工艺上也不会太难做。于是，一个个高高立起的薄片形成了。
仔细看，如果你不把挖下去的地方当成槽，而是把这个突起的薄片当成一个立着的薄晶体管，胡正明的想法就实现了，还是我们熟悉的栅极、源极、漏极，而导电沟道在这里。这里越薄，漏电流就越小到可以忽略。
立起来的一个个超薄晶体管如同鱼鳍，人们给它起了一个形象的名字——FinFET，鳍式场效应晶体管。
FinFET 的想法在 1999 年诞生，十年后，平面型晶体管进入 32nm 的时代，正如当初的预言，这已经是平面型晶体管的极限。2011 年，第一批使用 FinFET 工艺的处理器问世，人们终于突破了 30 nm的魔咒，进入了 20 nm的时代。
回到题主的问题，在30nm以前的时代，我们确实可以说，数字越小，很大程度代表芯片的性能越好。但此后厂家宣传的 22 nm、14 nm、7 nm、3 nm，都不再代表导电沟道的尺寸。由于标准不一样，这些数字所衡量的位置没有统一的标准，很难说3nm就一定比5nm更先进。不过，随着尺寸进一步减小， FinFET 也相继出现了漏电以及漏电意外的其他问题，FinFET 的尺寸极限也许并不遥远，这会是物理制程的天花板吗？
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：青工所助理研究员
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如何看待 5nm 芯片设计开发成本飙升？
