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    芯片工藝的命名「游戲」仍將繼續(xù)

    2022年09月22日 20:59:25   來(lái)源:微信公眾號(hào):半導(dǎo)體行業(yè)觀察

      早在十幾年前,摩爾定律即將失效的消息就已經(jīng)在業(yè)界鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng),一晃眼,十幾年過(guò)去了,如今的芯片制程已經(jīng)走到了3nm節(jié)點(diǎn),并向著埃米時(shí)代邁進(jìn)?此埔磺卸柬橈L(fēng)順?biāo),但縱觀整個(gè)發(fā)展史,你就會(huì)發(fā)現(xiàn),風(fēng)生水起的背后充斥著“欺騙”、“謊言”、“混戰(zhàn)”、“掙扎”與“屈服”…

      01

      陷入風(fēng)波的先進(jìn)工藝

      有關(guān)臺(tái)積電和三星先進(jìn)制程工藝“名不副實(shí)”的傳言由來(lái)已久,原本隨著先進(jìn)工藝難度越來(lái)越大,相關(guān)話題的熱度也開(kāi)始逐漸下降,然而今年8月,TechInsights在Blog上發(fā)表的文章卻再掀昔日浪潮。

      TechInsights在對(duì)臺(tái)積電和三星的4nm工藝進(jìn)行剖析和拆解后,認(rèn)為兩家晶圓代工廠為了贏得彼此間的較量,因而放任客戶聲稱他們采用了4nm工藝,實(shí)際上他們所謂的4nm工藝卻仍是5nm技術(shù)。用5nm工藝假冒4nm,這件事情居然發(fā)生在了2022這個(gè)3nm量產(chǎn)年,不禁讓人思考如今的3nm可還好?

      以已經(jīng)宣布量產(chǎn)的三星3nm為例,三星官方消息顯示,與三星5nm工藝相比,*代3nm工藝可以使功耗降低45%,性能提升23%,芯片面積減少16%;而未來(lái)第二代3nm工藝則使功耗降低50%,性能提升30%,芯片面積減少 35%。Wikichip根據(jù)官方數(shù)據(jù)粗略估計(jì),*代3nm 3GAE的晶體管密度約為 150 MTr/mm²,而第二代3nm 3GAP的晶體管密度約為 195 MTr/mm²。需要注意的是,英特爾2017年發(fā)布的10nm工藝的晶體管密度就已經(jīng)達(dá)到了100.8Mtr/mm2。

      圖源:Wikichip

      Wikichip強(qiáng)調(diào),由于從 FinFET 到 GAA 的過(guò)渡,因而降低高達(dá) 50% 的功率,如此大幅度的功率降低,對(duì)于三星代工來(lái)說(shuō),是自平面晶體管時(shí)代以來(lái)從未有過(guò)的。此外,就3nm性能而言,Wikichip也認(rèn)為這些數(shù)字偏高,但僅略高于一些先前的節(jié)點(diǎn)。

      臺(tái)媒《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》更是報(bào)道,分析師指出,三星的3nm制程所能達(dá)到的晶體管密度,最終可能與英特爾的制程4或者臺(tái)積電的5nm家族當(dāng)中的4nm相當(dāng),但是帶寬與漏電控制表現(xiàn)會(huì)更好,帶來(lái)更優(yōu)異的效能。

      那么臺(tái)積電作為全球代工龍頭,它的3nm就毫無(wú)爭(zhēng)議嗎?非也。

      今年6月,臺(tái)積電在2022 年技術(shù)研討會(huì)透露了其即將推出的3nm節(jié)點(diǎn)的部分細(xì)節(jié)。但令人感到疑惑的是,技術(shù)研討會(huì)上的大部分3nm消息都是關(guān)于 N3E ,也就是臺(tái)積電第二代3nm工藝,而關(guān)于*代3nm的消息卻寥寥無(wú)幾。

      到了今年8月,業(yè)內(nèi)人士手機(jī)晶片達(dá)人在微博上爆料稱,臺(tái)積電內(nèi)部決定放棄N3工藝,因?yàn)榭蛻舳疾挥,轉(zhuǎn)2023下半年量產(chǎn)降本的N3E工藝,N3成本高,design的window又很critical,連蘋(píng)果都放棄N3工藝。雖然臺(tái)積電在論壇上辟謠了該說(shuō)法,但最新消息顯示,蘋(píng)果A17芯片將有可能直接采用臺(tái)積電*進(jìn)的N3E工藝打造。

      N3節(jié)點(diǎn)是臺(tái)積電于2018-2019 年宣布,預(yù)計(jì)在今年下半年量產(chǎn)的*代3nm節(jié)點(diǎn),與臺(tái)積電的 Vanilla N5 節(jié)點(diǎn)相比,原始 N3 節(jié)點(diǎn)在 ISO 功率下可將速度提高約10-15%,數(shù)字邏輯的密度提高了約 1.7 倍,模擬邏輯的密度提高了約 1.1倍。鑒于臺(tái)積電尚未公開(kāi)任何設(shè)計(jì)規(guī)則,Wikichip粗略估計(jì)N3的晶體管密度范圍約為 180-220 MTr/mm2。

      雖然臺(tái)積電方多次強(qiáng)調(diào)N3會(huì)在今年下半年量產(chǎn),但是能否成為臺(tái)積電3nm的主流工藝仍是一個(gè)疑問(wèn),關(guān)鍵之處就是在于N3E的出現(xiàn)。作為臺(tái)積電第二代3nm工藝,N3E與N3有著極大的不同,消息顯示兩者之間的設(shè)計(jì)規(guī)則和IP 實(shí)現(xiàn)方式都有著較大的差異,這就意味著,客戶沒(méi)有直接的IP路徑可讓在N3上的設(shè)計(jì)遷移到 N3E;贜3E,臺(tái)積電還衍生出了N3P、N3X、N3S 和 N3RF四個(gè)變體,而N3似乎已經(jīng)成為一個(gè)被人遺忘的存在。

      圖源:wikichip

      倘若N3真的成為“棄子”,那么蘋(píng)果等手機(jī)廠商則需要等到2023年下半年才能采用3nm處理器,更重要的是,據(jù)Wikichip估計(jì),N3E的晶體管密度會(huì)略低于 N3 密度。無(wú)論是三星還是臺(tái)積電,其3nm工藝的晶體管密度,似乎都與想象中有所偏差。

      傳統(tǒng)上,晶體管密度可以看作是芯片整體性能的指標(biāo),被業(yè)內(nèi)奉為“圭臬”的摩爾定律指的就是芯片上可容納的晶體管數(shù)目,約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍,性能也將提升一倍。從這個(gè)角度來(lái)看,當(dāng)前3nm確實(shí)會(huì)令人產(chǎn)生一定的疑惑。

      02

      放棄“掙扎”的英特爾

      其實(shí),在邁入先進(jìn)制程之后,晶體管密度問(wèn)題就一直盤(pán)旋在芯片產(chǎn)業(yè)的上空。英特爾作為摩爾定律堅(jiān)定不移的捍衛(wèi)者,在2007年曾提出著名的“Tick-Tock(制程-新架構(gòu))”節(jié)點(diǎn)發(fā)展周期。按照英特爾的說(shuō)法,Tick-Tock 的周期兩年一循環(huán),Tick 一年,Tock 一年。在Tick年,英特爾將會(huì)引入新的制程工藝;而在Tock年,英特爾將會(huì)使用上年更新過(guò)后的工藝推出采用全新架構(gòu)的CPU。

      按照Tick-Tock模式,英特爾工藝制程從65nm發(fā)展到22nm,但卻在14nm卡了長(zhǎng)達(dá)7年之久,Tick-Tock模式也在2016年被新戰(zhàn)略PAO(Process-Architecture-Optimization 制程-架構(gòu)-優(yōu)化)替代。當(dāng)英特爾還在困于14nm、10nm節(jié)點(diǎn)時(shí),臺(tái)積電和三星卻已經(jīng)從28nm/22nm,發(fā)展到16nm/14nm,并走到了7nm節(jié)點(diǎn)。

      面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在先進(jìn)制程領(lǐng)域的大步邁進(jìn),英特爾對(duì)此表示不以為意。雖然英特爾14nm和10nm的升級(jí)周期都超過(guò)了兩年,但是對(duì)應(yīng)的晶體管密度也分別提升了2.5倍和2.7倍,符合摩爾定律的對(duì)于晶體管密度的線性增長(zhǎng)要求。對(duì)比臺(tái)積電、三星的16、14nm工藝,可以看出,英特爾的14nm工藝在這些關(guān)鍵指標(biāo)要高于臺(tái)積電和三星。

      圖源:電腦報(bào)

      去年,Digitimes也對(duì)三家企業(yè)的芯片制造工藝做了對(duì)比,主要以晶體管密度作為參考指標(biāo),對(duì)比三家企業(yè)的10nm、7nm、5nm、3nm、2nm,其中Intel的5nm和3nm為預(yù)估值,臺(tái)積電和三星的3nm、2nm工藝為預(yù)估值。

      圖源:Digitimes

      Digitimes指出,在10nm工藝上,英特爾的晶體管密度就已*于三星和臺(tái)積電,此后雙方的差距在的差距逐漸拉大。就晶體管密度而言,臺(tái)積電和三星的7nm工藝還稍微落后于英特爾的10nm工藝,到了5nm工藝上三星又與臺(tái)積電拉開(kāi)了差距,并且認(rèn)為三星的3nm工藝才接近臺(tái)積電的5nm工藝和英特爾的7nm工藝。

      除了數(shù)據(jù)上的對(duì)比,2017年,當(dāng)時(shí)的英特爾高級(jí)院士,處理器架構(gòu)與集成部門(mén)主管Mark Bohr直接發(fā)布了一篇關(guān)于清理Intel工藝混亂命名的相關(guān)文章,直指業(yè)界在半導(dǎo)體工藝命名上的混亂狀態(tài),并給出了一個(gè)衡量半導(dǎo)體工藝水平的公式:

      圖源:英特爾

      該公式主要分為兩部分,一部分計(jì)算2bit NAND(4個(gè)晶體管)的密度,另一部分則是用來(lái)計(jì)算的是SFF(scan flip flop)的晶體管密度,0.6和0.4兩個(gè)數(shù)字是這兩部分的加權(quán)系數(shù)。Bohr表示衡量半導(dǎo)體工藝真正需要的是晶體管密度。

      種種數(shù)據(jù)表明,如果從晶體管密度來(lái)看,英特爾的10nm/14nm的工藝制程在當(dāng)時(shí)應(yīng)該都屬于拔頭籌者,但競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手憑借命名優(yōu)勢(shì)一路高歌,反觀英特爾卻被冠上“牙膏廠”的稱謂。

      到了2021年,英特爾終究放棄掙扎,選擇“同流合污”,更改了制程命名方式。英特爾未來(lái)5年技術(shù)路線圖,對(duì)芯片的制程工藝進(jìn)行了新的命名,10納米Enhanced SuperFin更名為“Intel 7”、Intel 7納米更名為“Intel 4”、其后是“Intel 3”、“Intel 20A”、“Intel 18A”。

      隨著英特爾的加入,如今的工藝制程命名似乎也已成定局。

      03

      命名“游戲”的開(kāi)始

      當(dāng)前大家所熟知的XX nm工藝,指的其實(shí)是線寬,比如3nm意思就是柵極的最小線寬為3nm。而工藝的命名方式則遵循每個(gè)世代線寬縮減約 0.7 倍的規(guī)律,0.7x0.7約等于 0.5,也就是晶體管整體面積相比上一代縮小一倍,符合摩爾定律。

      雖然XX nm工藝的命名方式在半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)已約定俗成,但其實(shí)早在1997年,也就是350nm之后,業(yè)界就已經(jīng)意識(shí)到基于納米的傳統(tǒng)制程節(jié)點(diǎn)命名方法,不再與晶體管實(shí)際的柵極長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)。到了2012年,隨著3D晶體管Finfet的出現(xiàn),只用gate 的長(zhǎng)度來(lái)衡量晶體管的特征尺寸已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了,還需要Fin的高度,F(xiàn)in 的寬度,F(xiàn)in Pitch,Gate length,Gate width等各種參數(shù)。

      當(dāng)下,0.7 倍的命名原則仍在繼續(xù),然而這些數(shù)據(jù)的實(shí)際意義卻已經(jīng)不大了,但臺(tái)積電、三星等一眾代工廠卻從工藝命名上獲得了巨大的利益和成功。

      2014年,臺(tái)積電利用其創(chuàng)新的雙重曝刻技術(shù),成為世界上*家開(kāi)始批量生產(chǎn)20nm半導(dǎo)體的公司,并在同年創(chuàng)造了臺(tái)積電最快的產(chǎn)能提升記錄。憑借著20nm的優(yōu)勢(shì),臺(tái)積電從三星手中奪下了蘋(píng)果的部分訂單,臺(tái)積電2014年第四季財(cái)報(bào)顯示,合并營(yíng)收約新臺(tái)幣2225.2億元,與2013年同期相比營(yíng)收增加52.6%,其中20nm制程出貨占臺(tái)積電第四季晶圓銷(xiāo)售的21%。到了2016年,臺(tái)積電已經(jīng)取代三星,成為了蘋(píng)果A系列處理器的*芯片代工廠。2016年臺(tái)積電全年?duì)I收達(dá)到9479.38億新臺(tái)幣,同比增長(zhǎng)12.4%,造就了當(dāng)時(shí)臺(tái)積電歷史上的最高紀(jì)錄。

      三星方面也是如此,在A8處理器以前,三星是蘋(píng)果處理器的*代工廠,卻在2014年失去了*地位,然而2015年憑借全球*14nm工藝制程實(shí)現(xiàn)反超,重新奪回了蘋(píng)果處理器的代工業(yè)務(wù)。

      眾所周知,蘋(píng)果A9處理器有兩個(gè)版本,分別是三星的14nm和臺(tái)積電的16nm,理論上講,三星的14nm性能應(yīng)該高于16nm,但從當(dāng)時(shí)的消息來(lái)看,消費(fèi)者的口碑就截然相反,三星代工的芯片在功耗和發(fā)熱方面都不及臺(tái)積電,這其實(shí)就已反映出工藝制成的命名原則已經(jīng)背離了真實(shí)工藝性能。

      即便如此,臺(tái)積電和三星依舊“樂(lè)此不疲”,畢竟對(duì)于購(gòu)買(mǎi)手機(jī)的消費(fèi)者來(lái)說(shuō),絕大多數(shù)都是不會(huì)過(guò)于錙銖必較。以最新的Iphone 14來(lái)說(shuō),大家關(guān)注的大多在于只有Pro版本用上了最新A16仿生芯片,但對(duì)于A16與A15之間的性能差可能就一笑置之。

      毫無(wú)疑問(wèn),商業(yè)上取得的紅利是驅(qū)動(dòng)命名“游戲”開(kāi)始的關(guān)鍵點(diǎn),但不可否認(rèn),臺(tái)積電、三星和英特爾在整體半導(dǎo)體工藝的進(jìn)展上也確實(shí)取得了巨大的進(jìn)步,是推動(dòng)整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)前進(jìn)的強(qiáng)大引擎。

      摩爾定律從提出到現(xiàn)在已經(jīng)快60年了,隨著時(shí)間的推移,我們不得不承認(rèn)工藝制程的演進(jìn)正在變得越來(lái)越困難,為了延續(xù)摩爾定律,臺(tái)積電、三星、英特爾研發(fā)了各種先進(jìn)技術(shù),比如三星3nm中采用了GAA晶體管,臺(tái)積電在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的發(fā)力,英特爾的背面供電技術(shù)等…雖然當(dāng)前芯片工藝進(jìn)程或許有些受挫,但他們并沒(méi)有放棄,相反正在積極研發(fā)各式各樣的先進(jìn)技術(shù),希望有一天,會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于“浸潤(rùn)式光刻”那樣的顛覆性技術(shù),能讓制程發(fā)展實(shí)現(xiàn)大跨越。

      從某種意義上來(lái)說(shuō),或許這些巨頭延續(xù)原有的命名方式,也是他們表達(dá)捍衛(wèi)摩爾定律的最后“倔強(qiáng)”。

      04

      寫(xiě)在最后

      未來(lái)是未知的,但芯片產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展是可以肯定的,我們相信未來(lái)先進(jìn)制程一定會(huì)有更好的表現(xiàn)形式,但在下一個(gè)顛覆性技術(shù)出現(xiàn)之前,我們還需要臺(tái)積電、三星、英特爾等巨頭持續(xù)不斷得創(chuàng)新,推出新技術(shù)…

      文章內(nèi)容僅供閱讀,不構(gòu)成投資建議,請(qǐng)謹(jǐn)慎對(duì)待。投資者據(jù)此操作,風(fēng)險(xiǎn)自擔(dān)。

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