一圖看懂 半導體產業少不了它!美光科技引領全球在台灣量產1-alpha DRAM,推進記憶體產業革新

2021.04.28 10:00AM
照片中提到了美光科技半導體產業少不了它!、Ov Pic、To UNDEASTAND,跟美光科技有關,包含了中部科學園區、體育器材、產品設計、台灣中部科學園管理局、台灣中部科學園局

最近全球鬧晶片荒,許多國家紛紛向台灣求助,新聞中很常會報導台積電即將量產「XX奈米晶圓」先進製程,究竟這個數字代表什麼呢?數字越小為什麼越厲害?
癮特務趕緊向數學老師求救,老師說:「奈米(nm)是一種長度的衡量單位,1奈米是1公尺的10億分之一(也就是0.000000001 公尺)。而晶片產業講的某個數字奈米製程(例如5奈米),就是將電晶體縮小到某5奈米的尺寸,代表電晶體的一邊寬度,不到50個奈米長。

數字越小代表產品越厲害嗎?讓我們回推到10年前,當時iPhone 4推出時,採用的處理器還是用40奈米晶圓製程,現在台積電已經可以量產5奈米。換句話說,數字越小,代表在同樣規模的晶片面積之中,可以容納更多電晶體數,造就更先進的運算單元,讓科技產品的效能更強、更省電。

不過同在半導體群山中的記憶體產業,尤其是DRAM領域,對晶片製程卻不是用數字定義,而是有另一套遊戲規則,例如現在市場最先進的技術,是美光科技量產的「1α」(1-alpha),記憶體晶片用特殊的「代號」命名,又是為什麼呢? 

照片中提到了美光科技半導體產業少不了它!、ONE PiC、To UnceaSTAND,跟美光科技有關,包含了動畫片、三星Galaxy、癮科技、藍牙、三星

▲如果用交通工具比喻不同階段的製程,1-alpha就猶如火箭,可以高速上升到宇宙。

晶片演進猶如原始人進化未來人,最強1α製程記憶體made in Taiwan!

癮特務搭上時光機回到本世紀初,那時候DRAM的技術大約處於180奈米製程,接著再到距今約10年前,晶片製程已大幅演進到22奈米。不過在20奈米之後,技術門檻越來越高,產業因而有了DRAM工藝不再使用具體數字的共識,而是改用羅馬字母1x、1y、1z,接著再進化到希臘字母,也就是現階段的1α。所以如果未來1α工藝再有新突破,下一階段就會使用1β、1γ的命名邏輯。

換言之,從1x、1y、1z到現在1α,本質上就是製程工藝越高超、記憶體性能表現也越好,要用1α製程打造出一顆晶片也就越困難了。美光是全球第一個量產全球最先進1α工藝DRAM記憶體顆粒的公司,不僅技術方面領先,1α更是在「台灣製造」,讓癮特務想起,美光也是最早生產176層3D NAND Flash——能儲存30小時高畫質電影的快閃記憶體。

美光在記憶體領域NAND、DRAM皆領先超群,難怪大家會說台灣半導體產業有「群」山守護。因為除了有台積電的IC邏輯,記憶體晶片猶如另一座山,美光讓世界看見台灣的先進製程實力。

而製程的演進,到底有多困難,效能的進步又有多少呢?打個簡單的比方,過去早期製程的DRAM晶片,性能表現比像原始人,不僅沒有語言系統,甚至才剛開始學習怎麼用火。從1x到了1y則進化到古代時期,發明各種系統知識,經歷工業革命後慢慢懂得用蒸氣、電力;再到1z代表現代階段,科技進步開始呈跳躍式曲線,有物聯網、人工智慧的加持。到了1α階段則進化到未來人,懂得使用量子科學甚至其他更前瞻的科技,大幅推動人類科技文明進步。

滴水穿石不夠看,現在光束能穿透晶片!美光1α製程挑戰記憶體科技極限

除了了解命名改變是伴隨晶片的效能提升之外,從1x演進到1α還有另一項特色,也就是電晶體的體積不斷縮小再縮小。相較60年前的電晶體,人類肉眼清晰可見,如今1α製程的電晶粒只有幾奈米大小,需要用特殊儀器放大才能看清楚,體積也比過去縮小10億倍之多。

要縮小晶片上的電晶粒或記憶體元件有多困難?不妨把一片晶圓想像成一顆石頭:把一個石頭剖半、再剖半、再剖半,持續這個動作N次,直到石子小到眼睛都看不見。但石頭這麼硬,想要把石頭剖越細,就必須使用越精密的工具,最初僅需要用粗糙的石器來剖半石頭,接著開始用鐵器雕刻小石塊,後來再進化到使用電動設備來精雕石粒。

隨著科技進步,現在開始採用「光束」來裁切晶片,例如美光就是採用先進的光刻技術(在多重光罩進行微影蝕刻)來生產1α製程。1α製程堪稱是「鬼斧神工」,美光要生產一顆1α工藝的晶片,需要動員成千上萬的工程師待在比月球上空氣微粒還少的巨大無塵室、「全副武裝」地監測晶片製造過程。

整個製程會經歷1,000道以上的測量步驟及工序,每個流程都要獨立進行,而且絕對不能出任何一絲差錯,如果光束波長太短可能讓穿透不了晶片、只要一個雕刻位置不對而造成無法彌補的缺陷,就必須重頭來過。所以就有人說,要完美做出一個奈米般的晶片,堪稱是人類在地球上最複雜的一項活動。而需要如此嚴格的環境控管、大量高科技的人才,落地台灣的美光1α製程,也代表台灣擁有堅實的製造能力!

1α 記憶體就是晶片界的優等生,不僅反應速度快、更要記憶力超群

目前美光1α製程的DRAM在位元容量、功耗比其它前幾代的記憶體,效能都有顯著提升,例如與前一代1z製程DRAM相比,1α製程能讓記憶體的容量再增加40%、節能15%,是目前業界功耗最低的行動DRAM。未來在美光旗下的DRAM產品組合(DDR4、DDR5、LPDDR4、LPDDR5)都將採用1α製程生產的晶片,並逐步應用到5G手機、自駕車、工業應用等領域。

科技產品使用1α製程的DRAM有什麼影響呢?如果把1α擬人化,他就像是資優班中最頂尖的資優生,不僅在學習過程非常會舉一反三,記憶力還相當好,別人要背好幾次,他們卻能過目不忘。科技產品的功能要越來越多、效能要越快,除了處理器的運算能力要強之外,記憶體的性能、儲存空間也要能相互搭配,而1α製程的記憶體,就是地表最強的晶片。

所以把1α製程DRAM運用在現在最夯的5G手機,會有什麼幫助呢?DRAM速度極快、延遲極低的特性,能讓消費者使用5G手機時,同一時間執行超多APP也不會當機卡頓,目前也已經有電競手機品牌採用1α製程的記憶體。當記憶體的耗能降低,代表手機的蓄電量時間就會更長,也間接為消費者減少需要隨時注意耗電量的困擾。
簡而言之,美光不論在DRAM或NAND都投入許多技術研發,也被許多調研公司評比為全球最創新的前20 大公司。事實也證明,美光擁有的專利數在業界數一數二,其先進製程技術與創新能量,也一直在引領產業前進,讓台灣被全球看見。未來美光還會推出哪些新科技?讓我們拭目以待!
 

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