iPhone 12系列即将用上5nm工艺的A14处理器,而DRAM内存行业依然在打磨10nm级工艺,三星、美光等内存制造商已在这一级别上踌躇多年。为什么没有7nm级内存芯片问世?是改进工艺的收益不够高还是压根做不到?
新工艺对DRAM成本影响明显:
DRAM单元尺寸可使用nF2表达,其中n是一个通常在6到8之间的常数,F是工艺技术特征尺寸。当n=8时,10nm下的单元面积为8 x (10 x 10)=800平方纳米,如果改用7nm尺寸则这一面积会减少到392平方纳米,节省大约51%的面积。从而可以在同一晶圆内多容纳近一倍的DRAM芯片。
实际上上面的例子太理想化了,以某内存厂商为例,第一代1xnm级工艺实际相当于17~19nm,第二代1y级工艺相当于14~16nm,一直发展到第三代1znm级才达到11~13nm,这个过程大约用了四年左右,可谓是举步维艰。
DRAM臣妾做不到:
DRAM内存的设计可以用1T1C来表达,即一个晶体管和一个存储电荷的电容器。DRAM单元中的电容器必须足够大以存储可以测量的电荷。
进一步减少DRAM单元的横向尺寸(长度和宽度)会使电容功能失效,而降低电容器高度同样不可行:美光DRAM产品高级总监Debra Bell曾表示,在单元电容器缩放中,高度和横向尺寸比率存在挑战。其中一个或两个太小会导致电容无法发挥它的作用,DRAM内存也就无法工作了。
此外,随着单元尺寸的缩小以及阵列中加入更多的单元,字线和位线的相对长度会增加,并影响将电荷放入电容和沿线移动电荷所需的时间。最终的结果是DRAM内存在短期内都无法突破到10nm以下工艺,业界预计至少2025年前都是不可行的。新的突破需要在基础材料或结构设计上做出重大改变,而这并不是可以一蹴而就的。