对于半导体器件而言, 制程工艺的缩放将带来效能提升和成本下降的多重利好,所以对于工艺制程向更小节点追求是整个行业的目标。但随着工艺节点的逐步缩减,小到一定的尺寸后,挑战并不来自于几何约束,而进入到了更微观的领域——因为电荷的尺寸本身并不会改变,所以工艺制程到10nm以下后面临的电荷积累的问题尤为突出。除此外,生产设备本身的计量水平的挑战也变得尤为突出。而对于DRAM器件而言,缩放的难度比起CPU等更为困难,因此在今天之前仅从数字上看,DRAM的工艺制程也对应着略落后于CPU的制程。但最近美光于业界内率先实现了DRAM工艺制程的突破,将DRAM的工艺跃进到了第四代——1α。对此笔者专门与美光DRAM制程集成副总裁Thy Tran女士进行了采访,Thy Tran针对这一最新的DRAM工艺进行了详细的解读。
Micron 1α 的产品进入到用户的消费市场后,给终端用户的最直观的体验提升是什么?
Thy Tran:美光的创新带来了业界功耗最低的移动DRAM,与上一代1z美光移动DRAM相比,实现了15%的节能。这使得5G移动用户可以在智能手机上进行更多任务操作,而不会牺牲续航。这一点很重要,因为智能手机的关键在于便携性,尽管用户希望手机能更快地执行更多的任务,但也不愿意牺牲续航或外形尺寸。例如,有些手机现在可以同时用两个摄像头拍摄视频。这对于像视频博主这样的人来说很有用,他们可以只使用一台设备同时摄录周围的环境和自己。然而,同时录制多个视频意味着要处理的数据量增加一倍,功耗也会随之增加一倍。如果为此续航会降低一半,或者手机要做得更大以容纳更大的电池,用户就不会觉得这一功能有什么用。在这种情况下,功耗降低15%为移动用户创造了对消费者来说更友好的体验。
1α还为PC市场提供了更节能的DDR4和LPDDR4解决方案,对于当前在家工作和在家学习的环境,笔记本电脑需要更长的续航时间,这为其带来了移动性优势。我们的汽车客户也在使用我们的移动低功耗DRAM,例如LPDDR4和LPDDR5,因此他们也能受益于这种节能特性。
低能耗对电动汽车和自动驾驶汽车尤其有利。随着ADAS和AI等数据密集型汽车技术的兴起,现代联网汽车目前运行的代码超过1亿行,每秒需要进行数百万亿次的运算,与数据中心的计算性能水平不相上下。这些汽车,或者称之为车轮上的数据中心,需要管理高性能计算,但不能让司机不断地为电动汽车充电或者加油以满足高耗电应用需求——因此,1α DRAM的能效也将有助于降低能耗,帮助自动驾驶汽车以更低的排放实现绿色交通的承诺。
汽车所需的密集计算和处理带来的另一独特挑战是,所有的能量都会产生物理热量。在数据中心,我们可以通过风扇和水冷却等方式来管理热量,但在汽车中,热量很难释放出来。从用户体验的角度来看,司机们不愿意听到车内有嘈杂的风扇声,而且,对于成本敏感的汽车,水冷却并不实用。通过降低能耗,我们的1α低功耗DRAM还将减少自动驾驶汽车和智能汽车中多余的热量,实现对驾驶员来说更友好和更环保的体验。
普通工艺制程我们通常用40nm、22nm、7nm等数字直接来表示,在内存中使用1x、1y和1z等。请给我们分享下这种制程的节点的表达,与实际的“nm”有何关系?为何在DRAM上要采用不一样的工艺节点表达方式?
Thy Tran:存储行业在节点与节点间往往遵循类似的规律。例如,在本世纪初我们处在180nm节点。大约十年前,我们来到22nm节点。
正如您所知,几年前,我们在内存行业不再使用确切的数字,而是开始使用1x、1y和1z之类的术语。其原因很复杂,但很大程度上是因为确切的数字与性能没有很好的相关性。电路结构是三维的,使用线性的衡量方式并不适合。因此,每一个新字母都代表一个新的制程,表示性能有了很大的提高。
特别是对于DRAM,节点的名称通常对应于最小特征尺寸,即内存单元阵列激活区的“半间距”的尺寸。对于1α,您可以将其视为10nm级别的第四代制程,其半间距在10nm到19nm之间。从1x纳米到1y、1z和1α,这一尺寸变得越来越小。我们是从1x开始的,但随着节点的不断缩小,要不断命名下一节点,就达到了罗马字母表的末尾。所以我们改用希腊字母alpha、beta、gamma等等。
EUV目前无法应用于DRAM生产的原因是什么?何时EUV可以满足DRAM生产需求?
关于EUV,我们专有的创新多重曝光(multi-patterning)制程能够满足目前的性能和成本要求。通过我们的制程解决方案和先进的控制能力,我们可以满足技术节点的要求。
此外,EUV未必是制程发展的关键促成因素,而且目前EUV设备的性能也不如先进的浸润式光刻技术。虽然EUV技术还在改进,但其成本和性能仍然落后于当前的多重曝光和先进的浸润式光刻技术。其中一个原因是,EUV波长太短,光线不能透过玻璃,因此在进行EUV光刻时,传统的光学透镜不起作用。我们正在不断评估EUV,相信在未来三年内,EUV会取得必要的进展,在成本和性能上能够与先进的间距倍增和浸润式技术相竞争。当该技术符合我们的要求时,我们会在适当的时候引入。