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遲來的英特爾10nm工藝

2017-09-22

英特爾在北京舉辦“精尖制造日”活動,本次活動可謂云集了英特爾制程、制造方面最權威的專家團,閉關修煉的英特爾終于秀出了它的10nm工藝。并笑稱:“老虎不發威,你當我是病貓?”

這個讓英特爾憋了許久的一招“絕技”到底有多牛叉?我們先回顧一下此次活動,英特爾給外界透露了哪些消息。

首先英特爾的執行副總裁兼制造、運營與銷售集團總裁Stacy Smith表示,摩爾定律不會失效,且英特爾正在沿著該定律勤勤懇懇的向前推進著。不過,節點在進化的途中面臨著時間越來越長的困境。這個難題怎么破解呢?

此時英特爾秀了一下“超微縮技術”,表示該技術讓英特爾能夠加速推進密度的提升,借助節點內優化,產品功能每年都可實現增強。具體優勢可以見下圖:

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超微縮技術的使用,英特爾的14nm制程工藝更加優秀。雖然同為14nm,英特爾的芯片密度更高,性能更強。其它的10nm制程工藝,僅相當于英特爾14nm工藝制程的芯片密度。

Stacy Smith認為英特爾在14nm制程工藝上保持著大約三年的領先性。

(這句話咋這么耳熟呢?畢竟我們不止一次聽到英特爾自夸自己的制程工藝比友商領先。這些友商又是誰呢?英特爾在活動上說:擁有領先邏輯晶圓廠的公司數量已經越來越少,眾多公司已經被淘汰出局。目前在14-16nm節點只剩4家(英特爾、三星、臺積電、格芯),且僅有2家(英特爾、三星)有一體化的器件生產能力。)

隨后,英特爾秀了一下業務實力,2016年全球晶圓代工收入為530億美元,其中高端技術(28/20/16/14nm)代工收入2016年達到230億美元。英特爾將致力22/14/10nm工藝節點的晶圓代工,發力高端市場。

最后,大戲登場——10nm 晶圓。

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英特爾高級院士、技術與制造事業部制程架構與集成總監Mark Bohr負責介紹了相關細節。

一開始就表示,英特爾是首家做到22nm FinFET的公司,比競爭友商至少領先三年。

Mark Bohr說,14nm到10nm所花費的時間超過兩年,但密度提升非常可觀。晶體管密度每兩年提高約一倍,10nm每平方毫米晶體管數量超過1億個,而14nm每平方毫米晶體管數量只有不到4000萬個。

Mark Bohr介紹了14nm超微縮相對于22nm超微縮的領先性,同時也介紹了10nm相對于14nm超微縮的技術差異。他說,22nm到14nm再到10nm,第三代FinFET晶體管有了極大的突破。10nm鰭片的高度較14nm提高25%,間距縮小25%,超強的微縮能力和全新特性將晶體管密度提升了2.7倍。

最后的最后,我們顯然會看到與手機發布會一樣的友商對比圖。如下:

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遲到英特爾為啥還這么自信?

雖說英特爾在會上表示自己是首家做到22nm FinFET的公司,且比友商技術至少領先三年。但好漢不提當年勇,22nm之后的江湖卻又是另一場血雨腥風。

2014年英特爾推出了14nm工藝,之后僅一年不到的時間,三星也推出了自家的14nm工藝,隨后臺積電也推出了其16nm工藝。2015年下半年發布的蘋果iPhone 6s所搭載的A9處理器就分別采用了三星的14nm工藝和臺積電的16nm工藝。去年年底,三星和臺積電又相繼推出了自己的10nm工藝,這也比英特爾的10nm工藝早了將近一年的時間。

這就相當尷尬了……

曾經的江湖工藝排行第一把交椅的英特爾就這么涼了?顯然,它不會坐以待斃。

在大伙都在議論紛紛時,英特爾高級院士Mark Bohr用半導體行業權威刊物《IEEE Spectrum》的撰文作出回應。關于自家10nm工藝,他表示在技術、成本方面都有巨大優勢,10nm工藝的晶體管密度不但會超過現在的自家14nm,還會優于其他公司的10nm,也就是集成度更高,柵極間距將從14nm工藝的70nm縮小到54nm,邏輯單元則縮小46%,這比以往任何一代工藝進化都更激進。

這段話背后的意思很明顯:友商在玩數字游戲!而我英特爾就是個“老實人”。

數字游戲

摩爾:集成電路所包含的晶體管每18個月就會翻一番。

摩爾應該不會想到,自己的一句話成了一個定律且讓世界級廠商為追求更小的數字而瘋狂。

這個數字背后,指的是“線寬”,精確一點而言,就是金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的閘極長度(Gate Length)。

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更具體的原理如下:

場效電晶體用閘極來控制電流的通過與否,以代表 0 或 1 的數碼訊號,也是整個結構中最細微、復雜的關鍵,當閘極可以縮小,電晶體體積也能跟著縮小,一來切換速度得以提升,每個芯片能塞入更多電晶體或縮小芯片體積;再者,當閘極長度愈小,閘極下方電子通道愈窄,之間的轉換效率提升、能量的耗損也能降低,收減少耗電量之效,但當閘極太薄,源極與汲極距離愈靠近,電子也可能不小心偷溜過去產生漏電流,加以也有推動力不足的問題,這也是為何制程微縮難度愈來愈高;臺積、英特爾與三星群雄間爭的你死我活的原因。

不過我們把話題再拉到這場數字游戲中,英特爾說三星和臺積電灌水,那到底灌水沒灌水呢?

半導體芯片和系統還原工程與分析廠商 ChipWorks、Techinsights 與半導體分析廠商 Linley Group 都對臺積電、三星、英特爾 16/14 納米做過比較。

從 Linley Group 與 Techinsights 實際分析的結果,包含英特爾、臺積電與三星在 14/16 納米實際線寬其實都沒達到其所稱的制程數字,根據兩者的數據,臺積電 16 納米制程實際測量最小線寬是 33 納米,16 納米 FinFET Plus 線寬則為 30 納米,三星第一代 14 納米是 30 納米,14 納米 FinFET 是 20 納米,英特爾 14 納米制程在兩家機構測量結果分別為 20 納米跟 24 納米。\

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英特爾:納尼?

調研 The Linley Group 創辦人暨首席分析師 Linley Gwennap,在 2016 年 3 月接受半導體專業期刊 EETimes 采訪時,也透露了晶圓代工廠間制程的魔幻數字秘密,Gwennap 指出,傳統表示制程節點的測量標準是看閘極長度,但在行銷的努力下,節點名稱不再與實際閘極長度相符合,不過,差距也不會太大,Gwennap 即言,三星的 14 納米約略等于英特爾的 20 納米。Gwennap 認為,臺積電與三星目前的制程節點仍落后于英特爾,以三星而言,14 納米制程稱作 17 納米會較佳,而臺積電 16 制程其實差不多是 19 納米。

但美國知名財經博客 The Motley Fool 技術專欄作家 Ashraf Eassa 從電子顯微鏡圖來看,認為英特爾、三星甚至臺積電在三者 14/16 納米制程差距或許不大。Ashraf Eassa 對比英特爾 14 與 22 納米,以及三星 14 納米的電子顯微鏡圖,其指出,英特爾 14 納米側壁的斜率要比 22 納米垂直,根據官方的說法,這能使英特爾的散熱鰭片(fin)更高更瘦,以提升效能。

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而三星 14 納米制程電子顯微鏡圖相較起來,和英特爾 14 納米制程還比較相近,加以 Ashraf Eassa 用臺積電宣稱 16 納米 FinFET Plus 能比三星最佳的 14 納米技術在相同功率下,效能能比三星提升 10% 來推測,臺積電 16 納米 FinFET Plus 的晶體管結構應與三星相差不遠,甚至鰭片(fin)會更加細長。

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當然,我們并不能說“線寬”就是技術實力,背后還要考慮很多因素。

不過專業人士認為,英特爾的10nm的確要厲害一點。不然憋了這么久,豈不是白忙活了。然而,臺積電三星已經靠10nm技術賺很多錢了,英特爾現在來“搶錢”還來得及不?


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