芯片工藝的命名「游戲」仍將繼續(xù)

　　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(huà)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(hù)聲稱(chēng)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(chēng)，臺(tái)積電內(nèi)部決定放棄N3工藝，因?yàn)榭蛻?hù)都不用，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(hù)沒(méi)有直接的IP路徑可讓在N3上的設(shè)計(jì)遷移到 N3E。基于N3E，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(xiàn)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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)寬，比如3nm意思就是柵極的最小線(xiàn)寬為3nm。而工藝的命名方式則遵循每個(gè)世代線(xiàn)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)…