文|半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
在1990年之前，柵極長度的減小幾乎完全線性，從“Xnm”的名稱就直觀反映出芯片的性能。每代晶體管的長和寬都是上一代的0.7倍(長度0.7*寬度0.7=0.49)，也就是單個晶體管的面積縮小到原來的0.5倍，印證摩爾定律晶體管密度翻倍的描述。比如 180nm>130nm>90nm>65nm>45nm>32nm>22nm ，其中“X”指的就是芯片柵極的長度，也就是MOS 晶體管的源極到漏極的距離。隨著先進(jìn)制程的數(shù)字越小，對應(yīng)的晶體管密度越大，芯片功耗也就越低，性能則越高。
制程不再等于柵長
在之后的技術(shù)演進(jìn)中，制程節(jié)點減小速度加快，大約為0.72倍, 并且不再完全線性。場效應(yīng)晶體管也逐漸脫離原本固定的結(jié)構(gòu)，比如FinFET的空間結(jié)構(gòu)晶體管出現(xiàn)，溝道變成了三維環(huán)繞，溝道長度逐漸不能代表工藝的最高精度。7nm、5nm、3nm也不再是溝道長度的代表，它作為一個等效長度，只是一個數(shù)字。
柵極的長度是芯片制造工藝的一個重要指標(biāo)，柵極的長度越小，源極和漏極之間流過的電流就會越快;鰭片間距(Fin Pitch)也是衡量工藝先進(jìn)性的一個重要參數(shù)，在FinFET 晶體管時期，增加 fin(鰭)高度、減少fin之間的間距就能有效增加驅(qū)動電流，從而提高效率;其他的衡量指標(biāo)還有金屬間距和邏輯單元等，金屬間距越小需要克服的電容效應(yīng)越小;邏輯單元的最小單元高度越低，在3D堆疊上更有優(yōu)勢。
芯片性能的最直觀的衡量標(biāo)準(zhǔn)則是邏輯晶體管密度，晶體管密度越大，意味著在同等的空間內(nèi)，能容納更多的晶體管，晶體管數(shù)量越多，則芯片內(nèi)的處理運算單元越強(qiáng)，芯片的處理能力越強(qiáng)。晶體管密度越大，說明晶體管之間的距離越近，電子在移動中的損耗也越小，功耗也能得到提升。
三家代工巨頭的技術(shù)參數(shù)對比
通過這些指標(biāo)的對比，也可以一覽英特爾、三星、臺積電幾家的制程區(qū)別。(MTr/mm2指的是每平方毫米有幾百萬個晶體管)
在10nm制程中，從技術(shù)水平來看，不論是鰭片間距、柵極長度、金屬間距、邏輯單元高度，英特爾都是三家公司中的佼佼者，具體參數(shù)對比可以發(fā)現(xiàn)：
英特爾在10nm制程的柵極間距是臺積電和三星在7nm才能達(dá)到的技術(shù)水平;其10nm的最小金屬間距甚至與三星與臺積電的5nm制程不相上下;在邏輯晶體管密度中的對比，可以發(fā)現(xiàn)英特爾占據(jù)了更大的優(yōu)勢(見下圖)。
在10nm制程下，英特爾的邏輯晶體管密度大約為1.01億個/mm2，而臺積電和三星只有英特爾的一半，7nm時仍不及英特爾的10nm，甚至英特爾的10nm可以與三星的5nm有所比較。不過這些數(shù)字直接比較也存在部分誤差，一方面在于計算晶體管密度的方法;另一方面在于各家的單元庫大小不一。
比如：英特爾10nm 工藝就有三種不同類型的邏輯單元庫，分別是 HD(高密度，short libraries 短庫)、HP(高性能，mid-height libraries 中等高度庫)、UHP(超高性能，tall libraries 高庫)。越短的單元庫，功耗越低，密度越高，不過峰值性能也越低。
英特爾列出的 100.8 MTr/mm2，指的其實是 HD 高密度庫(單元高 272nm，8 fins)。其他兩種單元庫的密度分別為：HP(高性能)單元庫密度 80.61 MTr/mm2(單元高 340nm，10 fins);UHP(超高性能)單元庫晶體管密度 67.18 MTr/mm2(單元高408nm，12 fins)。
正如臺積電的研究副總裁的Philip Wong在Hot Chips 31上所說：現(xiàn)在“Xnm”代表的只是技術(shù)的迭代，就像車型號一樣不具有明確的意義。這也是后來英特爾“芯片新工藝命名新規(guī)”，采用Intel 7、Intel 4、Intel 3、Intel 20A、Intel 18A等規(guī)則來重新定義芯片制程工藝的原因。芯片的工藝先進(jìn)性也不能只通過多少納米制程來判斷。
各家EUV及GAA的入局時間
眾所周知，英特爾在10nm良率問題上卡了頗久，其10nm節(jié)點沒有選擇EUV，選擇繼續(xù)使用ArF DUV，并且沒有按照摩爾定律晶體管密度提高2倍，而是冒險的提高了2.7倍，這都是10nm受阻的重要因素，英特爾10nm工藝還引入了昂貴材料鈷替代銅，鈷作為下部互聯(lián)層可使電遷移性能提高1000倍，同時層間通孔電阻也可以減少一半，大大增加了芯片的耐用性，同時鈷的硬度也帶來了各種各樣的問題，英特爾的10nm性能強(qiáng)勁也不無道理。
不過，英特爾的7nm和10nm在一定程度上是并行的，7nm工藝會是他們首個使用EUV光刻技術(shù)+FinFET的工藝，可以做到每平方毫米1.8億顆晶體管的密度。但7nm還未能面世。前段時間英特爾CEO基辛格在接受美媒采訪時表示：工程師在7nm工藝上發(fā)現(xiàn)了一些缺陷，目前正在了解這些缺陷，并有計劃解決7nm工藝問題。
三星和臺積電兩家fab的工藝路線方向已經(jīng)發(fā)生了較大差異。一方面，在7nm時代，三星就率先在多個疊層采用了EUV(極紫外)光刻。而臺積電直到N7+才用上了4層EUV光刻層。另一方面，在3nm三星的晶體管結(jié)構(gòu)已經(jīng)從FinFET，演進(jìn)至GAAFET，而臺積電對于GAAFET的應(yīng)用要等到2nm。
在制程更迭戰(zhàn)中幾家芯片巨頭可謂是爭得水深火熱，不同的命名規(guī)則讓整個市場陷入“制程焦慮”，然而產(chǎn)品終究要進(jìn)入市場，具體性能還需要市場的檢驗。在這場戰(zhàn)役中，各方都在鉚足勁頭在制程上向前沖，這其中除了命名規(guī)則的盲點，背后的功耗問題也正在凸顯。
“制程焦慮”忽視的良率矛盾
良率這個問題下最具有代表性的就是“5nm功耗集體翻車”事件。
其中包括使用三星5nm代工的高通驍龍888，與臺積電5nm代工的海思麒麟9000和蘋果A14。
功耗問題從何而來?為提高芯片的性能，就需要把電子開關(guān)對電流通斷的控制能力提高，以加快開關(guān)的速度。這意味著，開關(guān)要在更小尺寸的情況下通過更大的電流。開關(guān)的尺寸越小，對制備工藝的要求就越高，這使得開關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)下，會有更多泄漏電流。這部分產(chǎn)生的功耗是不可控的，是否產(chǎn)生功耗將直接由工藝的穩(wěn)定性決定。
也就是說，工藝的穩(wěn)定性決定功耗的大小，功耗也是芯片良率的重要參數(shù)。
一種較成熟的工藝一般會有超過90%的良品率。而三星代工生產(chǎn)的高通Snapdragon 8 Gen 1良率僅為35%左右。在同一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)的 Exynos 2200 的良率甚至低于此值，因此三星內(nèi)部也連忙啟動了對5nm代工良率問題的調(diào)查。
再看3nm制程的良率。3nm良率拉升難度大飆，臺積電為此已不斷修正3nm制程，且劃分出N3、N3E與N3B等多個版本，尋求最合適的方案且符合不同客戶需求，但3nm制程方案到現(xiàn)在還是有很多問題。按原計劃，蘋果A16芯片，本應(yīng)是首批采用臺積電3nm工藝的產(chǎn)品，但是經(jīng)過幾輪輾轉(zhuǎn)，蘋果只能選用由5nm工藝改良而來的4nm工藝。不過近日，臺積電宣布：“3 納米制程的發(fā)展符合預(yù)期，良率高，將在第四季度晚些時候量產(chǎn)?！睂脮r良率還需實測。
三星首批3nm芯片已經(jīng)進(jìn)入風(fēng)險量產(chǎn)階段，但是晶體管密度、功耗、良率都不盡如人意，早期產(chǎn)品也只是結(jié)構(gòu)相對簡單的礦機(jī)芯片。
良率反映的是直接利潤，晶圓良率越高，同一片晶圓上產(chǎn)出的質(zhì)量合格的芯片數(shù)量就越多，如果晶圓價格是固定的，質(zhì)量合格的芯片數(shù)量越多就意味著每片晶圓的產(chǎn)量越高，每顆芯片的成本就越低，那么理所當(dāng)然，利潤也就越高。
如今不管是臺積電、三星還是英特爾、IBM都在追逐2nm，不知在先進(jìn)工藝的追逐戰(zhàn)中，背后的良率問題是否得到了重視。
結(jié)語
1965年，時任仙童半導(dǎo)體公司研究開發(fā)實驗室主任的戈登·摩爾為《電子學(xué)》雜志寫了一篇觀察評論報告，在報告中摩爾提到，工程師可以不斷縮小晶體管的體積，芯片中的晶體管和電阻器的數(shù)量每18個月左右會翻番，半導(dǎo)體的性能與容量將以指數(shù)級增長，并且這種增長趨勢將繼續(xù)延續(xù)下去。他的這種預(yù)測，被稱為“摩爾定律”。
如今，芯片發(fā)展路線圖正在偏離摩爾定律，先進(jìn)制程的爭奪也已經(jīng)變得更加復(fù)雜，由于芯片制程帶來的焦慮也愈發(fā)明顯。