芯片工藝的命名「游戲」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，如今的芯片制程已經走到了3nm節點，并向著埃米時代邁進。看似一切都順風順水，但縱觀整個發展史，你就會發現，風生水起的背后充斥著“欺騙”、“謊言”、“混戰”、“掙扎”與“屈服”…

　　01

　　陷入風波的先進工藝

　　有關臺積電和三星先進制程工藝“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在對臺積電和三星的4nm工藝進行剖析和拆解后，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采用了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?

　　以已經宣布量產的三星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根據官方數據粗略估計，*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年發布的10nm工藝的晶體管密度就已經達到了100.8Mtr/mm2。

　　圖源：Wikichip

　　Wikichip強調，由于從 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，對于三星代工來說，是自平面晶體管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，但僅略高于一些先前的節點。

　　臺媒《經濟日報》更是報道，分析師指出，三星的3nm制程所能達到的晶體管密度，最終可能與英特爾的制程4或者臺積電的5nm家族當中的4nm相當，但是帶寬與漏電控制表現會更好，帶來更優異的效能。

　　那么臺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，臺積電在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消息都是關于 N3E ，也就是臺積電第二代3nm工藝，而關于*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，臺積電內部決定放棄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。雖然臺積電在論壇上辟謠了該說法，但最新消息顯示，蘋果A17芯片將有可能直接采用臺積電*進的N3E工藝打造。

　　N3節點是臺積電于2018-2019 年宣布，預計在今年下半年量產的*代3nm節點，與臺積電的 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。鑒于臺積電尚未公開任何設計規則，Wikichip粗略估計N3的晶體管密度范圍約為 180-220 MTr/mm2。

　　雖然臺積電方多次強調N3會在今年下半年量產，但是能否成為臺積電3nm的主流工藝仍是一個疑問，關鍵之處就是在于N3E的出現。作為臺積電第二代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。基于N3E，臺積電還衍生出了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”，那么蘋果等手機廠商則需要等到2023年下半年才能采用3nm處理器，更重要的是，據Wikichip估計，N3E的晶體管密度會略低于 N3 密度。無論是三星還是臺積電，其3nm工藝的晶體管密度，似乎都與想象中有所偏差。

　　傳統上，晶體管密度可以看作是芯片整體性能的指標，被業內奉為“圭臬”的摩爾定律指的就是芯片上可容納的晶體管數目,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。

　　02

　　放棄“掙扎”的英特爾

　　其實，在邁入先進制程之后，晶體管密度問題就一直盤旋在芯片產業的上空。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(制程-新架構)”節點發展周期。按照英特爾的說法，Tick-Tock 的周期兩年一循環，Tick 一年，Tock 一年。在Tick年，英特爾將會引入新的制程工藝;而在Tock年，英特爾將會使用上年更新過后的工藝推出采用全新架構的CPU。

　　按照Tick-Tock模式，英特爾工藝制程從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 制程-架構-優化)替代。當英特爾還在困于14nm、10nm節點時，臺積電和三星卻已經從28nm/22nm，發展到16nm/14nm，并走到了7nm節點。

　　面對競爭對手在先進制程領域的大步邁進，英特爾對此表示不以為意。雖然英特爾14nm和10nm的升級周期都超過了兩年，但是對應的晶體管密度也分別提升了2.5倍和2.7倍，符合摩爾定律的對于晶體管密度的線性增長要求。對比臺積電、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于臺積電和三星。

　　圖源：電腦報

　　去年，Digitimes也對三家企業的芯片制造工藝做了對比,主要以晶體管密度作為參考指標,對比三家企業的10nm、7nm、5nm、3nm、2nm,其中Intel的5nm和3nm為預估值,臺積電和三星的3nm、2nm工藝為預估值。

　　圖源：Digitimes

　　Digitimes指出,在10nm工藝上,英特爾的晶體管密度就已*于三星和臺積電,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工藝上三星又與臺積電拉開了差距,并且認為三星的3nm工藝才接近臺積電的5nm工藝和英特爾的7nm工藝。

　　除了數據上的對比，2017年，當時的英特爾高級院士，處理器架構與集成部門主管Mark Bohr直接發布了一篇關于清理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，并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個晶體管)的密度，另一部分則是用來計算的是SFF(scan flip flop)的晶體管密度，0.6和0.4兩個數字是這兩部分的加權系數。Bohr表示衡量半導體工藝真正需要的是晶體管密度。

　　種種數據表明，如果從晶體管密度來看，英特爾的10nm/14nm的工藝制程在當時應該都屬于拔頭籌者，但競爭對手憑借命名優勢一路高歌，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”，更改了制程命名方式。英特爾未來5年技術路線圖，對芯片的制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體業內已約定俗成，但其實早在1997年，也就是350nm之后，業界就已經意識到基于納米的傳統制程節點命名方法，不再與晶體管實際的柵極長度相對應。到了2012年，隨著3D晶體管Finfet的出現，只用gate 的長度來衡量晶體管的特征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，然而這些數據的實際意義卻已經不大了，但臺積電、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，臺積電利用其創新的雙重曝刻技術，成為世界上*家開始批量生產20nm半導體的公司，并在同年創造了臺積電最快的產能提升記錄。憑借著20nm的優勢，臺積電從三星手中奪下了蘋果的部分訂單，臺積電2014年第四季財報顯示，合并營收約新臺幣2225.2億元，與2013年同期相比營收增加52.6%，其中20nm制程出貨占臺積電第四季晶圓銷售的21%。到了2016年，臺積電已經取代三星，成為了蘋果A系列處理器的*芯片代工廠。2016年臺積電全年營收達到9479.38億新臺幣，同比增長12.4%，造就了當時臺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*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和臺積電的16nm，理論上講，三星的14nm性能應該高于16nm，但從當時的消息來看，消費者的口碑就截然相反，三星代工的芯片在功耗和發熱方面都不及臺積電，這其實就已反映出工藝制成的命名原則已經背離了真實工藝性能。

　　即便如此，臺積電和三星依舊“樂此不疲”，畢竟對于購買手機的消費者來說，絕大多數都是不會過于錙銖必較。以最新的Iphone 14來說，大家關注的大多在于只有Pro版本用上了最新A16仿生芯片，但對于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“游戲”開始的關鍵點，但不可否認，臺積電、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，是推動整個芯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制程的演進正在變得越來越困難，為了延續摩爾定律，臺積電、三星、英特爾研發了各種先進技術，比如三星3nm中采用了GAA晶體管，臺積電在先進封裝領域的發力，英特爾的背面供電技術等…雖然當前芯片工藝進程或許有些受挫，但他們并沒有放棄，相反正在積極研發各式各樣的先進技術，希望有一天，會出現類似于“浸潤式光刻”那樣的顛覆性技術，能讓制程發展實現大跨越。

　　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后“倔強”。

　　04

　　寫在最后

　　未來是未知的，但芯片產業向前發展是可以肯定的，我們相信未來先進制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，我們還需要臺積電、三星、英特爾等巨頭持續不斷得創新，推出新技術…