芯片工艺的命名「游戏」仍将继续

早在十几年前，摩尔定律即将失效的新闻就已经在业界闹得沸沸扬扬，一晃眼，十几年已往了，现在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，但纵观整个生长史，你就会发现，风生水起的背后充斥着“诱骗”、“谣言”、“混战”、“挣扎”与“屈服”…

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陷入风浪的先进工艺

有关台积电和三星先进制程工艺“名存实亡”的传言由来已久，原本随着先进工艺难度越来越大，相关话题的热度也最先逐渐下降，然现在年8月，TechInsights在Blog上揭晓的文章却再掀昔日浪潮。

TechInsights在对台积电和三星的4nm工艺举行剖析和拆解后，以为两家晶圆代工厂为了赢得相互间的较量，因而放任客户声称他们接纳了4nm工艺，现实上他们所谓的4nm工艺却仍是5nm手艺。用5nm工艺冒充4nm，这件事情居然发生在了2022这个3nm量产年，不禁让人思索现在的3nm可还好？

以已经宣布量产的三星3nm为例，三星官方新闻显示，与三星5nm工艺相比，*代3nm工艺可以使功耗降低45%，性能提升23%，芯片面积削减16%；而未来第二代3nm工艺则使功耗降低50%，性能提升30%，芯片面积削减 35%。Wikichip凭证官方数据大略估量，*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。需要注重的是，英特尔2017年宣布的10nm工艺的晶体管密度就已经到达了100.8Mtr/mm2。

图源：Wikichip

Wikichip强调，由于从 FinFET 到 GAA 的过渡，因而降低高达 50% 的功率，云云大幅度的功率降低，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也以为这些数字偏高，但仅略高于一些先前的节点。

台媒《经济日报》更是报道，剖析师指出，三星的3nm制程所能到达的晶体管密度，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，然则带宽与泄电控制显示会更好，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 年手艺钻研会透露了其即将推出的3nm节点的部门细节。但令人感应疑惑的是，手艺钻研会上的大部门3nm新闻都是关于 N3E ，也就是台积电第二代3nm工艺，而关于*代3nm的新闻却寥若晨星。

到了今年8月，业内人士手机晶片达人在微博上爆料称，台积电内部决议放弃N3工艺，由于客户都不用，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，但最新新闻显示，苹果A17芯片将有可能直接接纳台积电*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*代3nm节点，与台积电的 Vanilla N5 节点相比，原始 N3 节点在 ISO 功率下可将速率提高约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。鉴于台积电尚未公然任何设计规则，Wikichip大略估量N3的晶体管密度局限约为 180-220 MTr/mm2。

虽然台积电方多次强调N3会在今年下半年量产，然则能否成为台积电3nm的主流工艺仍是一个疑问，要害之处就是在于N3E的泛起。作为台积电第二代3nm工艺，N3E与N3有着极大的差异，新闻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上的设计迁徙到 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。

图源：wikichip

倘若N3真的成为“弃子”，那么苹果等手机厂商则需要等到2023年下半年才气接纳3nm处置器，更主要的是，据Wikichip估量，N3E的晶体管密度会略低于 N3 密度。无论是三星照样台积电，其3nm工艺的晶体管密度，似乎都与想象中有所误差。

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个月便会增添一倍,性能也将提升一倍。从这个角度来看，当前3nm确实会令人发生一定的疑惑。

02

放弃“挣扎”的英特尔

实在，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)”节点生长周期。根据英特尔的说法，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事后的工艺推出接纳全新架构的CPU。

根据Tick-Tock模式，英特尔工艺制程从65nm生长到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）替换。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，生长到16nm/14nm，并走到了7nm节点。

面临竞争对手在先进制程领域的大步迈进，英特尔对此示意漫不全心。虽然英特尔14nm和10nm的升级周期都跨越了两年，然则对应的晶体管密度也划分提升了2.5倍和2.7倍，相符摩尔定律的对于晶体管密度的线性增进要求。对比台积电、三星的16、14nm工艺，可以看出，英特尔的14nm工艺在这些要害指标要高于台积电和三星。

图源：电脑报

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。

图源：Digitimes

Digitimes指出,在10nm工艺上,英特尔的晶体管密度就已*于三星和台积电,往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工艺还稍微落伍于英特尔的10nm工艺,到了5nm工艺上三星又与台积电拉开了差距,而且以为三星的3nm工艺才靠近台积电的5nm工艺和英特尔的7nm工艺。

除了数据上的对比，2017年，那时的英特尔高级院士，处置器架构与集成部门主管Mark Bohr直接宣布了一篇关于整理Intel工艺杂乱命名的相关文章，直指业界在半导体工艺命名上的杂乱状态，并给出了一个权衡半导体工艺水平的公式：

图源：英特尔

该公式主要分为两部门，一部门盘算2bit NAND（4个晶体管）的密度，另一部门则是用来盘算的是SFF（scan flip flop）的晶体管密度，0.6和0.4两个数字是这两部门的加权系数。Bohr示意权衡半导体工艺真正需要的是晶体管密度。

种种数据解释，若是从晶体管密度来看，英特尔的10nm/14nm的工艺制程在那时应该都属于拔头筹者，但竞争对手依附命名优势一起高歌，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年手艺蹊径图，对芯片的制程工艺举行了新的命名，10纳米Enhanced SuperFin更名为“Intel 7”、Intel 7纳米更名为“Intel 4”、厥后是“Intel 3”、“Intel 20A”、“Intel 18A”。

随着英特尔的加入，现在的工艺制程命名似乎也已成定局。

03

命名“游戏”的最先

当前人人所熟知的XX nm工艺，指的实在是线宽，好比3nm意思就是栅极的最小线宽为3nm。而工艺的命名方式则遵照每个世代线宽缩减约 0.7 倍的纪律，0.7x0.7约即是 0.5，也就是晶体管整体面积相比上一代缩小一倍，相符摩尔定律。

虽然XX nm工艺的命名方式在半导体业内已约定俗成，但实在早在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式，不再与晶体管现实的栅极长度相对应。到了2012年，随着3D晶体管Finfet的泛起，只用gate 的长度来权衡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等种种参数。

当下，0.7 倍的命名原则仍在继续，然而这些数据的现实意义却已经不大了，但台积电、三星等一众代工厂却从工艺命名上获得了伟大的利益和乐成。

2014年，台积电行使其创新的双重曝刻手艺，成为天下上*家最先批量生产20nm半导体的公司，并在同年缔造了台积电最快的产能提升纪录。依附着20nm的优势，台积电从三星手中夺下了苹果的部门订单，台积电2014年第四序财报显示，合并营收约新台币2225.2亿元，与2013年同期相比营收增添52.6%，其中20nm制程出货占台积电第四序晶圆销售的21%。到了2016年，台积电已经取代三星，成为了苹果A系列处置器的*芯片代工厂。2016年台积电整年营收到达9479.38亿新台币，同比增进12.4%，作育了那时台积电历史上的最高纪录。

三星方面也是云云，在A8处置器以前，三星是苹果处置器的*代工厂，却在2014年失去了*职位，然而2015年依附全球*14nm工艺制程实现反超，重新夺回了苹果处置器的代工营业。

众所周知，苹果A9处置器有两个版本，划分是三星的14nm和台积电的16nm，理论上讲，三星的14nm性能应该高于16nm，但从那时的新闻来看，消费者的口碑就截然相反，三星代工的芯片在功耗和发烧方面都不及台积电，这实在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。

即便云云，台积电和三星依旧“乐此不疲”，事实对于购置手机的消费者来说，绝大多数都是不会过于锱铢必较。以最新的Iphone 14来说，人人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，商业上取得的盈利是驱动命名“游戏”最先的要害点，但不能否认，台积电、三星和英特尔在整体半导体工艺的希望上也确实取得了伟大的提高，是推动整个芯片产业前进的壮大引擎。

摩尔定律从提出到现在已经快60年了，随着时间的推移，我们不得不认可工艺制程的演进正在变得越来越难题，为了延续摩尔定律，台积电、三星、英特尔研发了种种先进手艺，好比三星3nm中接纳了GAA晶体管，台积电在先进封装领域的发力，英特尔的后头供电手艺等…虽然当前芯片工艺历程或许有些受挫，但他们并没有放弃，相横竖在起劲研发林林总总的先进手艺，希望有一天，会泛起类似于“浸润式光刻”那样的推翻性手艺，能让制程生长实现大跨越。

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“强硬”。

04

写在最后

未来是未知的，但芯片产业向宿世长是可以一定的，我们信托未来先进制程一定会有更好的显示形式，但在下一个推翻性手艺泛起之前，我们还需要台积电、三星、英特尔等巨头连续不停得创新，推出新手艺…