芯片工艺的命名“游戏”仍将继续…_风闻
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。2022-09-19 18:31
早在十几年前，摩尔定律即将失效的消息就已经在业界闹得沸沸扬扬，一晃眼，十几年过去了，如今的芯片制程已经走到了3nm节点，并向着埃米时代迈进。看似一切都顺风顺水，但纵观整个发展史，你就会发现，风生水起的背后充斥着“欺骗”、“谎言”、“混战”、“挣扎”与“屈服”…
陷入风波的先进工艺
有关台积电和三星先进制程工艺“名不副实”的传言由来已久，原本随着先进工艺难度越来越大，相关话题的热度也开始逐渐下降，然而今年8月，TechInsights在Blog上发表的文章却再掀昔日浪潮。
TechInsights在对台积电和三星的4nm工艺进行剖析和拆解后，认为两家晶圆代工厂为了赢得彼此间的较量，因而放任客户声称他们采用了4nm工艺，实际上他们所谓的4nm工艺却仍是5nm技术。用5nm工艺假冒4nm，这件事情居然发生在了2022这个3nm量产年，不禁让人思考如今的3nm可还好？
以已经宣布量产的三星3nm为例，三星官方消息显示，与三星5nm工艺相比，第一代3nm工艺可以使功耗降低45%，性能提升23%，芯片面积减少16%；而未来第二代3nm工艺则使功耗降低50%，性能提升30%，芯片面积减少 35%。Wikichip根据官方数据粗略估计，第一代3nm 3GAE的晶体管密度约为 150 MTr/mm²，而第二代3nm 3GAP的晶体管密度约为 195 MTr/mm²。需要注意的是，英特尔2017年发布的10nm工艺的晶体管密度就已经达到了100.8Mtr/mm2。
Wikichip强调，由于从 FinFET 到 GAA 的过渡，因而降低高达 50% 的功率，如此大幅度的功率降低，对于三星代工来说，是自平面晶体管时代以来从未有过的。此外，就3nm性能而言，Wikichip也认为这些数字偏高，但仅略高于一些先前的节点。
台媒《经济日报》更是报道，分析师指出，三星的3nm制程所能达到的晶体管密度，最终可能与英特尔的制程4或者台积电的5nm家族当中的4nm相当，但是带宽与漏电控制表现会更好，带来更优异的效能。
那么台积电作为全球代工龙头，它的3nm就毫无争议吗？非也。
今年6月，台积电在2022 年技术研讨会透露了其即将推出的3nm节点的部分细节。但令人感到疑惑的是，技术研讨会上的大部分3nm消息都是关于 N3E ，也就是台积电第二代3nm工艺，而关于第一代3nm的消息却寥寥无几。
到了今年8月，业内人士手机晶片达人在微博上爆料称，台积电内部决定放弃N3工艺，因为客户都不用，转2023下半年量产降本的N3E工艺，N3成本高，design的window又很critical，连苹果都放弃N3工艺。虽然台积电在论坛上辟谣了该说法，但最新消息显示，苹果A17芯片将有可能直接采用台积电最先进的N3E工艺打造。
N3节点是台积电于2018-2019 年宣布，预计在今年下半年量产的第一代3nm节点，与台积电的 Vanilla N5 节点相比，原始 N3 节点在 ISO 功率下可将速度提高约10-15%，数字逻辑的密度提高了约 1.7 倍，模拟逻辑的密度提高了约 1.1倍。鉴于台积电尚未公开任何设计规则，Wikichip粗略估计N3的晶体管密度范围约为 180-220 MTr/mm2。
虽然台积电方多次强调N3会在今年下半年量产，但是能否成为台积电3nm的主流工艺仍是一个疑问，关键之处就是在于N3E的出现。作为台积电第二代3nm工艺，N3E与N3有着极大的不同，消息显示两者之间的设计规则和IP 实现方式都有着较大的差异，这就意味着，客户没有直接的IP路径可让在N3上的设计迁移到 N3E。基于N3E，台积电还衍生出了N3P、N3X、N3S 和 N3RF四个变体，而N3似乎已经成为一个被人遗忘的存在。
倘若N3真的成为“弃子”，那么苹果等手机厂商则需要等到2023年下半年才能采用3nm处理器，更重要的是，据Wikichip估计，N3E的晶体管密度会略低于 N3 密度。无论是三星还是台积电，其3nm工艺的晶体管密度，似乎都与想象中有所偏差。
传统上，晶体管密度可以看作是芯片整体性能的指标，被业内奉为“圭臬”的摩尔定律指的就是芯片上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。从这个角度来看，当前3nm确实会令人产生一定的疑惑。
放弃“挣扎”的英特尔
其实，在迈入先进制程之后，晶体管密度问题就一直盘旋在芯片产业的上空。英特尔作为摩尔定律坚定不移的捍卫者，在2007年曾提出著名的“Tick-Tock(制程-新架构)”节点发展周期。按照英特尔的说法，Tick-Tock 的周期两年一循环，Tick 一年，Tock 一年。在Tick年，英特尔将会引入新的制程工艺；而在Tock年，英特尔将会使用上年更新过后的工艺推出采用全新架构的CPU。
按照Tick-Tock模式，英特尔工艺制程从65nm发展到22nm，但却在14nm卡了长达7年之久，Tick-Tock模式也在2016年被新战略PAO（Process-Architecture-Optimization 制程-架构-优化）替代。当英特尔还在困于14nm、10nm节点时，台积电和三星却已经从28nm/22nm，发展到16nm/14nm，并走到了7nm节点。
面对竞争对手在先进制程领域的大步迈进，英特尔对此表示不以为意。虽然英特尔14nm和10nm的升级周期都超过了两年，但是对应的晶体管密度也分别提升了2.5倍和2.7倍，符合摩尔定律的对于晶体管密度的线性增长要求。对比台积电、三星的16、14nm工艺，可以看出，英特尔的14nm工艺在这些关键指标要高于台积电和三星。
去年，Digitimes也对三家企业的芯片制造工艺做了对比,主要以晶体管密度作为参考指标,对比三家企业的10nm、7nm、5nm、3nm、2nm,其中Intel的5nm和3nm为预估值,台积电和三星的3nm、2nm工艺为预估值。
Digitimes指出,在10nm工艺上,英特尔的晶体管密度就已领先于三星和台积电,此后双方的差距在的差距逐渐拉大。就晶体管密度而言,台积电和三星的7nm工艺还稍微落后于英特尔的10nm工艺,到了5nm工艺上三星又与台积电拉开了差距,并且认为三星的3nm工艺才接近台积电的5nm工艺和英特尔的7nm工艺。
除了数据上的对比，2017年，当时的英特尔高级院士，处理器架构与集成部门主管Mark Bohr直接发布了一篇关于清理Intel工艺混乱命名的相关文章，直指业界在半导体工艺命名上的混乱状态，并给出了一个衡量半导体工艺水平的公式：
图源：英特尔
该公式主要分为两部分，一部分计算2bit NAND（4个晶体管）的密度，另一部分则是用来计算的是SFF（scan flip flop）的晶体管密度，0.6和0.4两个数字是这两部分的加权系数。Bohr表示衡量半导体工艺真正需要的是晶体管密度。
种种数据表明，如果从晶体管密度来看，英特尔的10nm/14nm的工艺制程在当时应该都属于拔头筹者，但竞争对手凭借命名优势一路高歌，反观英特尔却被冠上“牙膏厂”的称谓。
到了2021年，英特尔终究放弃挣扎，选择“同流合污”，更改了制程命名方式。英特尔未来5年技术路线图，对芯片的制程工艺进行了新的命名，10纳米Enhanced SuperFin更名为“Intel 7”、Intel 7纳米更名为“Intel 4”、其后是“Intel 3”、“Intel 20A”、“Intel 18A”。
随着英特尔的加入，如今的工艺制程命名似乎也已成定局。
命名“游戏”的开始
当前大家所熟知的XX nm工艺，指的其实是线宽，比如3nm意思就是栅极的最小线宽为3nm。而工艺的命名方式则遵循每个世代线宽缩减约 0.7 倍的规律，0.7x0.7约等于 0.5，也就是晶体管整体面积相比上一代缩小一倍，符合摩尔定律。
虽然XX nm工艺的命名方式在半导体业内已约定俗成，但其实早在1997年，也就是350nm之后，业界就已经意识到基于纳米的传统制程节点命名方法，不再与晶体管实际的栅极长度相对应。到了2012年，随着3D晶体管Finfet的出现，只用gate 的长度来衡量晶体管的特征尺寸已经远远不够了，还需要Fin的高度，Fin 的宽度，Fin Pitch，Gate length，Gate width等各种参数。
当下，0.7 倍的命名原则仍在继续，然而这些数据的实际意义却已经不大了，但台积电、三星等一众代工厂却从工艺命名上获得了巨大的利益和成功。
2014年，台积电利用其创新的双重曝刻技术，成为世界上第一家开始批量生产20nm半导体的公司，并在同年创造了台积电最快的产能提升记录。凭借着20nm的优势，台积电从三星手中夺下了苹果的部分订单，台积电2014年第四季财报显示，合并营收约新台币2225.2亿元，与2013年同期相比营收增加52.6%，其中20nm制程出货占台积电第四季晶圆销售的21%。到了2016年，台积电已经取代三星，成为了苹果A系列处理器的最大芯片代工厂。2016年台积电全年营收达到9479.38亿新台币，同比增长12.4%，造就了当时台积电历史上的最高纪录。
三星方面也是如此，在A8处理器以前，三星是苹果处理器的独家代工厂，却在2014年失去了独家地位，然而2015年凭借全球首个14nm工艺制程实现反超，重新夺回了苹果处理器的代工业务。
众所周知，苹果A9处理器有两个版本，分别是三星的14nm和台积电的16nm，理论上讲，三星的14nm性能应该高于16nm，但从当时的消息来看，消费者的口碑就截然相反，三星代工的芯片在功耗和发热方面都不及台积电，这其实就已反映出工艺制成的命名原则已经背离了真实工艺性能。
即便如此，台积电和三星依旧“乐此不疲”，毕竟对于购买手机的消费者来说，绝大多数都是不会过于锱铢必较。以最新的Iphone 14来说，大家关注的大多在于只有Pro版本用上了最新A16仿生芯片，但对于A16与A15之间的性能差可能就一笑置之。
毫无疑问，商业上取得的红利是驱动命名“游戏”开始的关键点，但不可否认，台积电、三星和英特尔在整体半导体工艺的进展上也确实取得了巨大的进步，是推动整个芯片产业前进的强大引擎。
摩尔定律从提出到现在已经快60年了，随着时间的推移，我们不得不承认工艺制程的演进正在变得越来越困难，为了延续摩尔定律，台积电、三星、英特尔研发了各种先进技术，比如三星3nm中采用了GAA晶体管，台积电在先进封装领域的发力，英特尔的背面供电技术等…虽然当前芯片工艺进程或许有些受挫，但他们并没有放弃，相反正在积极研发各式各样的先进技术，希望有一天，会出现类似于“浸润式光刻”那样的颠覆性技术，能让制程发展实现大跨越。
从某种意义上来说，或许这些巨头延续原有的命名方式，也是他们表达捍卫摩尔定律的最后“倔强”。
写在最后
未来是未知的，但芯片产业向前发展是可以肯定的，我们相信未来先进制程一定会有更好的表现形式，但在下一个颠覆性技术出现之前，我们还需要台积电、三星、英特尔等巨头持续不断得创新，推出新技术…