晶片工藝的命名“遊戲”仍將繼續

早在十幾年前,摩爾定律即將失效的消息就已經在業界鬧得沸沸揚揚,一晃眼,十幾年過去了,如今的晶片製程已經走到了3nm節點,並向著埃米時代邁進。看似一切都順風順水,但縱觀整個發展史,你就會發現,風生水起的背後充斥著“欺騙”、“謊言”、“混戰”、“掙扎”與“屈服”…

陷入風波的先進工藝

有關台積電和三星先進製程工藝“名不副實”的傳言由來已久,原本隨著先進工藝難度越來越大,相關話題的熱度也開始逐漸下降,然而今年8月,TechInsights在Blog上發表的文章卻再掀昔日浪潮。

TechInsights在對台積電和三星的4nm工藝進行剖析和拆解後,認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採用了4nm工藝,實際上他們所謂的4nm工藝卻仍是5nm技術。用5nm工藝假冒4nm,這件事情居然發生在了2022這個3nm量產年,不禁讓人思考如今的3nm可還好?

以已經宣佈量產的三星3nm為例,三星官方消息顯示,與三星5nm工藝相比,第一代3nm工藝可以使功耗降低45%,性能提升23%,晶片面積減少16%;而未來第二代3nm工藝則使功耗降低50%,性能提升30%,晶片面積減少 35%。Wikichip根據官方資料粗略估計,第一代3nm 3GAE的電晶體密度約為 150 MTr/mm²,而第二代3nm 3GAP的電晶體密度約為 195 MTr/mm²。需要注意的是,英特爾2017年發佈的10nm工藝的電晶體密度就已經達到了100.8Mtr/mm2。

圖源:Wikichip

Wikichip強調,由於從 FinFET 到 GAA 的過渡,因而降低高達 50% 的功率,如此大幅度的功率降低,對於三星代工來說,是自平面電晶體時代以來從未有過的。此外,就3nm性能而言,Wikichip也認為這些數字偏高,但僅略高於一些先前的節點。

台媒《經濟日報》更是報導,分析師指出,三星的3nm製程所能達到的電晶體密度,最終可能與英特爾的製程4或者台積電的5nm家族當中的4nm相當,但是頻寬與漏電控製表現會更好,帶來更優異的效能。

那麼台積電作為全球代工龍頭,它的3nm就毫無爭議嗎?非也。

今年6月,台積電在2022 年技術研討會透露了其即將推出的3nm節點的部分細節。但令人感到疑惑的是,技術研討會上的大部分3nm消息都是關於 N3E ,也就是台積電第二代3nm工藝,而關於第一代3nm的消息卻寥寥無幾。

到了今年8月,業內人士手機晶片達人在微博上爆料稱,台積電內部決定放棄N3工藝,因為客戶都不用,轉2023下半年量產降本的N3E工藝,N3成本高,design的window又很critical,連蘋果都放棄N3工藝。雖然台積電在論壇上闢謠了該說法,但最新消息顯示,蘋果A17晶片將有可能直接採用台積電最先進的N3E工藝打造。

N3節點是台積電於2018-2019 年宣佈,預計在今年下半年量產的第一代3nm節點,與台積電的 Vanilla N5 節點相比,原始 N3 節點在 ISO 功率下可將速度提高約10-15%,數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。鑑於台積電尚未公開任何設計規則,Wikichip粗略估計N3的電晶體密度範圍約為 180-220 MTr/mm2。

雖然台積電方多次強調N3會在今年下半年量產,但是能否成為台積電3nm的主流工藝仍是一個疑問,關鍵之處就是在於N3E的出現。作為台積電第二代3nm工藝,N3E與N3有著極大的不同,消息顯示兩者之間的設計規則和IP 實現方式都有著較大的差異,這就意味著,客戶沒有直接的IP路徑可讓在N3上的設計遷移到 N3E。基於N3E,台積電還衍生出了N3P、N3X、N3S 和 N3RF四個變體,而N3似乎已經成為一個被人遺忘的存在。

圖源:wikichip

倘若N3真的成為“棄子”,那麼蘋果等手機廠商則需要等到2023年下半年才能採用3nm處理器,更重要的是,據Wikichip估計,N3E的電晶體密度會略低於 N3 密度。無論是三星還是台積電,其3nm工藝的電晶體密度,似乎都與想像中有所偏差。

傳統上,電晶體密度可以看作是晶片整體性能的指標,被業內奉為“圭臬”的摩爾定律指的就是晶片上可容納的電晶體數目,約每隔18個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。從這個角度來看,當前3nm確實會令人產生一定的疑惑。

放棄“掙扎”的英特爾

其實,在邁入先進製程之後,電晶體密度問題就一直盤旋在晶片產業的上空。英特爾作為摩爾定律堅定不移的捍衛者,在2007年曾提出著名的“Tick-Tock(製程-新架構)”節點發展週期。按照英特爾的說法,Tick-Tock 的週期兩年一循環,Tick 一年,Tock 一年。在Tick年,英特爾將會引入新的製程工藝;而在Tock年,英特爾將會使用上年更新過後的工藝推出採用全新架構的CPU。

圖源:英特爾

按照Tick-Tock模式,英特爾工藝製程從65nm發展到22nm,但卻在14nm卡了長達7年之久,Tick-Tock模式也在2016年被新戰略PAO(Process-Architecture-Optimization 製程-架構-最佳化)替代。當英特爾還在困於14nm、10nm節點時,台積電和三星卻已經從28nm/22nm,發展到16nm/14nm,並走到了7nm節點。

面對競爭對手在先進製程領域的大步邁進,英特爾對此表示不以為意。雖然英特爾14nm和10nm的升級週期都超過了兩年,但是對應的電晶體密度也分別提升了2.5倍和2.7倍,符合摩爾定律的對於電晶體密度的線性增長要求。對比台積電、三星的16、14nm工藝,可以看出,英特爾的14nm工藝在這些關鍵指標要高於台積電和三星。

圖源:電腦報

去年,Digitimes也對三家企業的晶片製造工藝做了對比,主要以電晶體密度作為參考指標,對比三家企業的10nm、7nm、5nm、3nm、2nm,其中Intel的5nm和3nm為預估值,台積電和三星的3nm、2nm工藝為預估值。

圖源:Digitimes

Digitimes指出,在10nm工藝上,英特爾的電晶體密度就已領先於三星和台積電,此後雙方的差距在的差距逐漸拉大。就電晶體密度而言,台積電和三星的7nm工藝還稍微落後於英特爾的10nm工藝,到了5nm工藝上三星又與台積電拉開了差距,並且認為三星的3nm工藝才接近台積電的5nm工藝和英特爾的7nm工藝。

除了資料上的對比,2017年,當時的英特爾高級院士,處理器架構與整合部門主管Mark Bohr直接發佈了一篇關於清理Intel工藝混亂命名的相關文章,直指業界在半導體工藝命名上的混亂狀態,並給出了一個衡量半導體工藝水平的公式:

圖源:英特爾

該公式主要分為兩部分,一部分計算2bit NAND(4個電晶體)的密度,另一部分則是用來計算的是SFF(scan flip flop)的電晶體密度,0.6和0.4兩個數字是這兩部分的加權係數。Bohr表示衡量半導體工藝真正需要的是電晶體密度。

種種資料表明,如果從電晶體密度來看,英特爾的10nm/14nm的工藝製程在當時應該都屬於拔頭籌者,但競爭對手憑藉命名優勢一路高歌,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”,更改了製程命名方式。英特爾未來5年技術路線圖,對晶片的製程工藝進行了新的命名,10納米Enhanced SuperFin更名為“Intel 7”、Intel 7納米更名為“Intel 4”、其後是“Intel 3”、“Intel 20A”、“Intel 18A”。

隨著英特爾的加入,如今的工藝製程命名似乎也已成定局。

命名“遊戲”的開始

當前大家所熟知的XX nm工藝,指的其實是線寬,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世代線寬縮減約 0.7 倍的規律,0.7x0.7約等於 0.5,也就是電晶體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體業內已約定俗成,但其實早在1997年,也就是350nm之後,業界就已經意識到基於納米的傳統製程節點命名方法,不再與電晶體實際的柵極長度相對應。到了2012年,隨著3D電晶體Finfet的出現,只用gate 的長度來衡量電晶體的特徵尺寸已經遠遠不夠了,還需要Fin的高度,Fin 的寬度,Fin Pitch,Gate length,Gate width等各種參數。

當下,0.7 倍的命名原則仍在繼續,然而這些資料的實際意義卻已經不大了,但台積電、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,台積電利用其創新的雙重曝刻技術,成為世界上第一家開始批次生產20nm半導體的公司,並在同年創造了台積電最快的產能提升記錄。憑藉著20nm的優勢,台積電從三星手中奪下了蘋果的部分訂單,台積電2014年第四季財報顯示,合併營收約新台幣2225.2億元,與2013年同期相比營收增加52.6%,其中20nm製程出貨佔台積電第四季晶圓銷售的21%。到了2016年,台積電已經取代三星,成為了蘋果A系列處理器的最大晶片代工廠。2016年台積電全年營收達到9479.38億新台幣,同比增長12.4%,造就了當時台積電歷史上的最高紀錄。

三星方面也是如此,在A8處理器以前,三星是蘋果處理器的獨家代工廠,卻在2014年失去了獨家地位,然而2015年憑藉全球首個14nm工藝製程實現反超,重新奪回了蘋果處理器的代工業務。

眾所周知,蘋果A9處理器有兩個版本,分別是三星的14nm和台積電的16nm,理論上講,三星的14nm性能應該高於16nm,但從當時的消息來看,消費者的口碑就截然相反,三星代工的晶片在功耗和發熱方面都不及台積電,這其實就已反映出工藝製成的命名原則已經背離了真實工藝性能。

即便如此,台積電和三星依舊“樂此不疲”,畢竟對於購買手機的消費者來說,絕大多數都是不會過於錙銖必較。以最新的Iphone 14來說,大家關注的大多在於只有Pro版本用上了最新A16仿生晶片,但對於A16與A15之間的性能差可能就一笑置之。

毫無疑問,商業上取得的紅利是驅動命名“遊戲”開始的關鍵點,但不可否認,台積電、三星和英特爾在整體半導體工藝的進展上也確實取得了巨大的進步,是推動整個晶片產業前進的強大引擎。

摩爾定律從提出到現在已經快60年了,隨著時間的推移,我們不得不承認工藝製程的演進正在變得越來越困難,為了延續摩爾定律,台積電、三星、英特爾研發了各種先進技術,比如三星3nm中採用了GAA電晶體,台積電在先進封裝領域的發力,英特爾的背面供電技術等…雖然當前晶片工藝處理程序或許有些受挫,但他們並沒有放棄,相反正在積極研發各式各樣的先進技術,希望有一天,會出現類似於“浸潤式光刻”那樣的顛覆性技術,能讓製程發展實現大跨越。

從某種意義上來說,或許這些巨頭延續原有的命名方式,也是他們表達捍衛摩爾定律的最後“倔強”。

寫在最後

未來是未知的,但晶片產業向前發展是可以肯定的,我們相信未來先進製程一定會有更好的表現形式,但在下一個顛覆性技術出現之前,我們還需要台積電、三星、英特爾等巨頭持續不斷得創新,推出新技術…

本文來自微信公眾號 “半導體行業觀察”(ID:icbank),作者:龔佳佳,36氪經授權發佈。

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