英特爾新一代晶體管將“大變身”，打臉臺(tái)積電的制程命名“水分太高”
[導(dǎo)讀]半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)奉為圭臬的“摩爾定律”是指每?jī)赡暝谕瑯用娣e下，晶體管密度要增加一倍?？墒牵@個(gè)游戲玩到后來(lái)，怎么只剩下半導(dǎo)體界的“老派紳士”英特爾在遵守游戲規(guī)則了呢？其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手分明都“違規(guī)”了！英特爾日前在臺(tái)灣舉行?“架構(gòu)日”，花了一上午的時(shí)間，并提出具體數(shù)字來(lái)佐證自己的每一代制程技...
半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)奉為圭臬的 “摩爾定律” 是指每?jī)赡暝谕瑯用娣e下，晶體管密度要增加一倍。
可是，這個(gè)游戲玩到后來(lái)，怎么只剩下半導(dǎo)體界的 “老派紳士” 英特爾在遵守游戲規(guī)則了呢？其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手分明都 “違規(guī)” 了！
英特爾日前在臺(tái)灣舉行?“架構(gòu)日”，花了一上午的時(shí)間，并提出具體數(shù)字來(lái)佐證自己的每一代制程技術(shù)演進(jìn)與命名邏輯，不但是毫無(wú)水分，而且還比摩爾定律要求的“兩倍晶體管密度” 標(biāo)準(zhǔn)還要高。
晶體管密度超越摩爾定律要求
英特爾新竹辦公室總經(jīng)理謝承儒舉例，2019 年推出的 10nm 制程，里面的晶體管密度超過(guò) 100 億個(gè)，較上一代 14nm 的 44.67 億個(gè)晶體管整整增加 2.3 倍。意思是在同等面積下，塞入超過(guò)兩倍的晶體管。
到了 14nm 制程世代，晶體管密度又是上一代 22nm 制程的 2.7 倍，證明英特爾在晶體管密度這個(gè)摩爾定律的重要指標(biāo)上，實(shí)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同業(yè)，且制程的命名沒(méi)有絲毫水分。
再者，很多人喜歡把英特爾停留在 14nm 制程世代上的時(shí)間過(guò)久，且一直推出微縮版本 14nm 、14nm 制程這件事來(lái)討論。
謝承儒表示，14nm 相較于 14nm 制程，性能增加達(dá)到 20%，幾乎是一個(gè)制程節(jié)點(diǎn)的提升; 這也代表，英特爾不需要推進(jìn)到下一個(gè)制程世代，就可以將效能大幅提升 20%。
隨著英特爾第十一代 Core 處理器，代號(hào)為 Tiger Lake 正式推出后，英特爾正式進(jìn)入 10nm 制程技術(shù)世代。
在 10nm 制程世代上，發(fā)展到第三代的 10nm 稱(chēng)為 10nm SuperFin 制程。從 10nm 到 10nm SuperFin 的性能表現(xiàn)也是增加 20%，同樣也相當(dāng)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)的提升。
制程命名邏輯
在半導(dǎo)體制程上，最重要的單元是晶體管，每一顆 IC 設(shè)計(jì)最低層元件就是晶體管。
晶體管的表現(xiàn)反映在很多面向上，例如密度、性能、漏電表現(xiàn)等。其中，前兩個(gè)面向：密度和性能最為關(guān)鍵。密度是指在同樣面積中，可以塞入多少的晶體管。
再來(lái)看看，制程技術(shù)的命名究竟是怎么定義的？
最早期，制程技術(shù)的命名是根據(jù)晶體管的閘極長(zhǎng)度（Gate Length）而定，但一直發(fā)展到 0.25 微米以下開(kāi)始脫節(jié)，因?yàn)槭蔷w管往下走的核心精華不是閘極長(zhǎng)度，而是依循摩爾定律。
上圖中，黃色線與藍(lán)色部分接觸的是閘極長(zhǎng)度。當(dāng)晶體管從左邊的平面式轉(zhuǎn)換成右邊的鰭式晶體管 FinFET 時(shí)，與藍(lán)色接觸面從傳統(tǒng)晶體管的一個(gè)接觸面，變成三個(gè)接觸面。因此，要去計(jì)算閘極長(zhǎng)度來(lái)做為制程命名，其實(shí)不太合理。
再者，上述提到的英特爾的 SuperFin 技術(shù)，其實(shí)不是只有一個(gè)鰭，而是有好幾個(gè)，這也代表接觸面會(huì)越多，而接觸面越多，控制力就會(huì)越強(qiáng)。
以晶體管閘極長(zhǎng)度來(lái)命名的方式，在發(fā)展到鰭式晶體管 FinFET 世代后失效。英特爾開(kāi)始以晶體管的密度來(lái)作為命名方式，依循每個(gè)世代線寬縮減約 0.7 倍的非常規(guī)律。
例如從 90nm 制程節(jié)點(diǎn)，下一代制程就是 65nm（90 x 0.7 = 63，取 65nm）; 再下一代制程節(jié)點(diǎn)則為 45 nm（65 x 0.7 = 45.5），之后的命名邏輯是依此類(lèi)推。
這樣的命名方式下，代表未來(lái)制程世代與晶體管的閘極長(zhǎng)度，不再有絕對(duì)關(guān)系，且每一個(gè)制程世代之間的晶體管密度成長(zhǎng)接近兩倍，趨勢(shì)也符合摩爾定律的規(guī)范。
GAA 架構(gòu)晶體管披露
英特爾也披露在鰭式晶體管 FinFET 之后的新一代晶體管架構(gòu) Nanoribbon，其實(shí)就是一種 GAA（Gate-All-Around）架構(gòu)，目前正在研發(fā)中。
之前提到英特爾發(fā)展出 SuperFin 技術(shù)不是只有一個(gè)鰭，而是有好幾個(gè)鰭，優(yōu)勢(shì)是接觸面會(huì)越多，代表控制力就會(huì)越強(qiáng)。
可以從上圖中看到，Nanoribbon 架構(gòu)是整個(gè)包起來(lái)，所以接觸面從過(guò)去平面式晶體管的一個(gè)接觸面、鰭式晶體管 FinFET 的三個(gè)接觸面，到了 Nanoribbon 晶體管架構(gòu)已經(jīng)變成四個(gè)接觸面。
這樣的晶體管架構(gòu)不但是越做越小，面積持續(xù)微縮，且因?yàn)榻佑|面增加，控制能力也會(huì)強(qiáng)化。
目前三星已經(jīng)宣布 3nm 導(dǎo)入 GAA 架構(gòu)，臺(tái)積電則是宣布 3nm 維持 FinFET 晶體管的架構(gòu)。至于英特爾，則已經(jīng)開(kāi)始在投入 GAA（Nanoribbon 晶體管架構(gòu)）的研發(fā)。
相較于其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，都在制程世代的命名上大玩宣傳花招，只有英特爾這位半導(dǎo)體“老派紳士”，嚴(yán)謹(jǐn)又堅(jiān)持地捍衛(wèi)著創(chuàng)辦人戈登 · 摩爾在 50 多年前提出的摩爾定律，對(duì)于晶體管密度的要求，甚至做到超過(guò)該定律要求的標(biāo)準(zhǔn)。
除了晶體管密度的“正名”，英特爾也一直強(qiáng)調(diào)一個(gè)概念：產(chǎn)品的整體效能難道只有決定在半導(dǎo)體的制程技術(shù)上？
為了要打破這個(gè)迷思，英特爾這幾年提出“六大創(chuàng)新支柱”：制程與封裝、XPU 架構(gòu)、存儲(chǔ)、互聯(lián)架構(gòu)、安全性以及軟件。
英特爾強(qiáng)調(diào)，芯片放在終端設(shè)備上的性能表現(xiàn)，絕非只有單一制程技術(shù)這個(gè)環(huán)節(jié)可以展現(xiàn)的，英特爾以眾多面向的優(yōu)勢(shì)來(lái)重塑概念。
自制與外包的策略
英特爾首席執(zhí)行官 Bob Swan 在今年 7 月的投資人會(huì)議中提出因?yàn)?7nm 制程良率，而考慮可能委由第三方供應(yīng)商來(lái)生產(chǎn)。當(dāng)時(shí)也引發(fā)全球科技產(chǎn)業(yè)的熱絡(luò)討論。
英特爾舉例，旗下的獨(dú)立顯卡 GPU 也部份自己生產(chǎn)，但部分委外給其他晶圓代工廠生產(chǎn)。如上圖中的獨(dú)立顯卡 Xe 系列，有些系列是采用自家的 10nm SuperFin 制程技術(shù)，但有些系列的芯片則是外包生產(chǎn)。
英特爾表示，當(dāng)多數(shù)的獨(dú)立 GPU 都是由晶圓代工廠生產(chǎn)時(shí)，其實(shí)沒(méi)有非要英特爾自己做不可，況且自家的產(chǎn)能要留給更重要的產(chǎn)品來(lái)生產(chǎn)，而外包策略可以促使產(chǎn)品加快上市。
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