主流晶片製造廠工藝水平如何

半導體行業似乎離普通人很遙遠，只是近一年多來中美貿易戰的爆發，將集成電路製造技術推向了媒體的聚光燈下，鋪天蓋地的報導成為眾所關注的焦點。

諸如，工藝技術節點是什麼，它和處理器（CPU）有什麼相關性，又對其性能有什麼影響，每次看到這樣的新聞或談論類似的話題都會讓許多人如墜雲霧之中，無從插嘴，無法理解，這些貌似冷冰冰的高在上的詞彙到底代表著什麼。

如果你想透徹了解他們所代表的具體意義，或者更進一步地想知道市面上計算機或手機所使用的處理器的工藝水平如何，性能如何，或者想知道下次你應該如何選擇更具性價比的電子產品，或者你應該選擇何種處理器才能讓你在玩你最著迷的遊戲時，能夠更加順暢自如的操控各種動作而不是經常遇到卡頓現象，從而使你能夠獲得更高的愉樂體驗，那麼這篇文章相信絕對是你的最佳選擇，你將再無疑慮。

工藝節點意味著什麼？

「7nm，10nm，12nm，14nm，16nm ......」

當購買計算機或手機時，消費者往往會關注一些關鍵的處理器參數，在廠商的宣傳手冊或廣告語上通常會看到上面的這個數字，而產品評論員和技術專家在談論這個數字時，就好像在談論一件非常重要的事情。

那麼，這個數字究竟代表什麼意思？

作為消費者，你需要知道這個數字代表著處理器中電晶體的大小，電晶體是CPU和數字電路的構建模塊。

當以不同的方式組合電晶體時，就可以獲得像與、非或異或門等邏輯電路。

然後，這些門可用於獲得加法器、乘法器和其他不同類型的複雜電路。

它們是數字電路中非常重要的基本電路單元，很多超大規模數字集成模塊都是由大量的這種單元電路組成。

現代處理器可能包含數十億個電晶體。

例如，AMD第一代Ryzen處理器8核CPU Zeppelin帶中有48億個電晶體。

50多年來，半導體行業需要持續縮小電晶體的尺寸，以便可以在相同的單位面積內增加它們的數量。

那麼，當縮小電晶體的尺寸時會發生什麼？

這直接導致了兩個主要的改進：

1）性能：隨著電晶體尺寸的減小，可以在相同的單位面積內容納更多的電晶體。

因此，可以從相同大小的處理器獲得更高的處理能力。

2）功率效率（功耗）：較小的電晶體需要較少的功率就可以發揮其功能，這就降低了晶片的總功耗。

較低的功率還可以產生較少的熱量，從而能夠進一步提高時鐘速度。

摩爾定律解釋了這一點，該定律表明，由於製造技術的進步，集成電路中的電晶體數量（集成度）每兩年翻一番，並伴隨著性能的增長和成本的下降。

怎樣描述這個集成度呢？這就有了工藝「節點」的說法，即工藝節點數值越小，表征晶片的集成度就越高。

集成度的提高，不僅意味著單個電晶體的尺寸縮小了，同時也意味著採用了更加先進的製造工藝。

可以說，集成電路技術的發展過程，就是把電晶體尺寸做得越來越小的過程。

因此，集成電路的規模反映了集成電路的先進程度。

摩爾定律的發展，不僅使得幾十年以來晶片里含有的電晶體數目越來越多，半導體器件的性能不斷提高，而且還減小了器件的尺寸，這就是處理器晶片可以變得越來越小而速度越來越快的原因。

在圖1中，給出了當前世界上最重要的三家晶片製造商電晶體密度數量隨工藝節點的趨勢圖。

可以看到，在同樣的10nm技術節點，英特爾的電晶體密度數量遙遙領先於三星和台積電，甚至比他們7nm工藝的數量還要多。

由此可見，這個nm數字或製造工藝多麼重要，現在理解了吧！

那麼，下次當你在購買處理器時，在比較不同的產品時，請密切注意這個數字。

當然，除電晶體密度外，還有其他的一些關鍵參數決定了一款處理器的性能，如單線程性能、時鐘頻率、功率、多核數量等等。

過去40多年來，與處理器有關的關鍵參數隨時間的變化關係，可參考圖2。

接下來，對於那些想要了解集成電路製造細節的人來說，將是真正有價值的內容。

這些nm數值實際上並不代表電晶體的尺寸，更確切地說是指用於製造電晶體的製造技術。

很久以前，電晶體的柵極長度與製造技術（nm數值）大致相同，但現在情況發生了重大改變，已經不再如此。

事實上，現在這個數字已經成為一種沒有任何物理意義的營銷噱頭，並且沒有通用的標準來計算這個數字。

不同品牌有不同的計算方法。

例如，台積電的10nm不等於三星的10nm。

英特爾稱之為10nm的技術，則與台積電所稱的7nm相當。

因此，當前半導體行業已經沒有通用的標準。

既然如此，對於集成電路製造技術，現在重要的是哪些方面？

電晶體密度！

具有更高電晶體密度的製造工藝更好。

電晶體密度

自2016年以來，消費者一直在等待英特爾的10nm處理器。

截至2018年，英特爾僅設法推出了一款基於10nm的CPU，即僅用於筆記本電腦的Core i3-8121U處理器。

而延遲的一個重要原因卻是英特爾正在激進地向前邁出一大步，這似乎非常容易理解，這導致它最近幾年一直深陷良率不高的泥淖之中。

從已經披露的性能看，英特爾的10nm帶來的甚至比三星和台積電的7nm產品還要好。

下圖給出了不同半導體晶片製造商的電晶體密度對比情況。

儘管英特爾的10nm技術在主流處理器中幾乎還沒有上市的任何跡象，但台積電的7nm已經進入批量生產，並用於製造Apple A12 Bionic處理器，麒麟980處理器，驍龍855處理器和Zen 2架構（Ryzen 3000系列）處理器。

由於Zen 2是基於台積電的7nm HPC工藝，因此這為AMD提供了一個很好的機會，可以在2019年從英特爾手中獲得一些市場份額。

接下來，對不同晶片生產商的製造技術進行了一個排名，如下表所示，可以較為便捷地了解哪種工藝更為先進。

表中密度以MTr/mm2計算，其代表每平方毫米數百萬個電晶體。

截至2019年1月，英特爾的10nm技術依然領先於台積電和三星的7nm技術。

來源：根據公開數量整理

有一點需要注意，上述數字在某些情況下是近似的。

但是，這不會影響排名。

如果更深入地研究這個問題，英特爾的10nm比台積電7nm的SRAM稍微密集一些。

但台積電的7nm實際上比英特爾的邏輯單元更密集，這使事情變得更加複雜，卻很有意思。

由於英特爾的10nm還沒有大規模生產，台積電的7nm是目前市場上明顯的贏家。

不同製造商的製造技術

接下來，對比看看TSMC、GlobalFoundries、三星和英特爾等不同製造商的不同工藝節點都有什麼特點。

台積電

台積電是目前世界上最大的獨立半導體代工製造商。

台積電與世界上一些最大的晶片設計商合作，如Nvidia，AMD，高通，蘋果，華為和聯發科。

截至2019年1月，台積電憑藉其7nm製造工藝引領新一代的高端技術競爭，該工藝已經開始批量生產，iPhone XS和華為Mate 20 Pro等頂級手機品牌都採用了這一技術。

7nm

首先，讓我們看看最近一年來炒作最火熱的台積電7nm工藝。

TSMC的7nm工藝實際上有多種變體，7nm FF/FF+（FinFET和FinFET+）的電晶體密度約為96.49 MTr/mm?，7nm HPC的電晶體密度為66.7 MTr/mm?。

7nm FinFET工藝是TSMC自身10nm工藝密度的1.6倍。

此外，與10nm技術相比，7nm工藝可使性能提高20％，功耗降低40％。

目前該技術主要用於：A12 Bionic（iPhone XS Max），Snapdragon 855，Kirin 980，Zen 2（Ryzen 3000 Series）

10nm

台積電的10nm節點工藝的密度為60.3 MTr/mm?，是自身12nm/16nm節點密度的2倍多，速度提高了15％，功耗降低了35％。

目前該技術主要用於：Apple A11 Bionic，Kirin 970，Helio X3。

12nm/16nm

與20nm工藝相比，台積電16nm的速度提高近50％，功耗降低60％，其密度為28.2 MTr/mm2。

台積電的12nm技術或多或少是一種營銷噱頭，類似於他們的16nm節點。

這個12nm節點只是它們重新命名的16nm工藝，具有更好的柵極密度和較少的優化。

12nm工藝的估計密度約為33.8 MTr/mm?。

台積電的12nm和16nm工藝為麒麟、聯發科處理器和Nvidia的GeForce 10系列等提供代工服務。

主要用於：Nvidia圖靈GPU（GeForce 20系列），麒麟960，麒麟659，麒麟710，Helio P60，Helio P70，Apple A10 Fusion處理器。

從上述討論可見，台積電身為晶圓代工產業龍頭，擁有最成熟，最完整的生態系統。

它的突出優勢在於其技術發展一直緊跟市場需求，是工藝技術的領導者和激烈的競爭對手，也是當前世界上最有競爭力的晶片製造商，最近幾年一直是產業界專業人士觀察全球市場的關鍵風向標。

相比三星及英特爾的IDM身份，對於Fabless客戶而言，台積電無論在技術和立場上都明顯比前兩者在先進技術的代工市場中更有競爭力，更適合服務這些客戶。

放眼望去，台積電眼中真正的對手只有英特爾，台積電如何擠掉英特爾，也一直是市場關注的焦點，也是台積電一直在努力的方向。

從先進的製造工藝來看，台積電現在已經形成了一定優勢，占據了市場的先機。

英特爾

英特爾是全球第二大晶片製造商。

曾幾何時，英特爾在半導體市場處於絕對的領先地位，但其10nm工藝的一再延遲使其在高端技術上已經相當落後。

7nm

2018年12月，英特爾宣布他們正在開發7nm工藝，並且正在按計劃進行。

英特爾7nm工藝將使用EUVL（極紫外光刻）製造，預計電晶體密度將達到242 MTr /mm?，是10nm工藝 的2.4倍。

現狀：正在進行中。

10nm

英特爾的10nm工藝最初預計將於2016年首次推出，但截至2018年底，它已被推遲3次！

英特爾10nm工藝密度約為100 MTr /mm?，是14nm工藝的2.7倍。

從這一點看，英特爾的10nm相當於其他公司所標榜的7nm技術。

現狀：英特爾正在努力提高良率，可能在2019年末進入批量生產。

用於：Core i3-8121U處理器。

14nm

英特爾的14nm工藝電晶體密度估計為43.5 MTr/mm?。

截至目前，從Broadwell到Coffee Lake，都擁有相同的14nm技術，已用於其5代處理器之中。

然而，這款14nm技術仍然優於台積電的16nm/12nm和三星的14nm技術。

英特爾還推出了14nm+和14nm++，只是進行了微小的改進。

主要用於：英特爾的第5代，第6代，第7代，第8代和第9代移動和桌面處理器。

什麼是14nm +和14nm ++？

由於10nm節點的延遲，英特爾簡單地改進了他們的14nm節點，在性能和功耗方面略有改進，並將它們命名為14nm +和14nm ++。

這些只是微小的改進，並沒有進行電晶體密度微縮。

現在可以做一個簡單的總結。

過去很長一段時間裡，英特爾依循摩爾定律，在工藝技術上一路領先，然而這幾年卻一直卡在了10nm這個節點，而其競爭對手三星和台積電已經在7nm上實現了量產。

儘管其10 nm工藝電晶體密度比後兩者的 7 nm工藝還要高，可是10nm的一再推遲上市使其喪失了以前的領先優勢。

不僅如此，更重要的是英特爾使用EUV光刻技術也面臨不確定性，有分析稱，2021年底英特爾都不太可能用上EUV光刻技術，而台積電、三星在今年的7nm工藝上都會用上該技術。

可是，英特爾似乎並不著急，他們目前正全力以赴解決10nm工藝的量產問題，將良率提高到可以接受的程度，在2019年底正式推出基於10nm工藝的處理器，而在2020年才有可能大規模生產出移動、桌面、伺服器版的10nm晶片。

相比於台積電和三星，英特爾的7nm工藝尚在研發中，目前透露的消息較少，但曾有計劃在2020年量產7nm工藝的處理器，如果發展不順利也有可能延後到 2021 年正式量產。

面對台積電和三星的步步緊逼，英特爾也不得不做出改變，英特爾在2017年便向包括ARM陣營在內的所有廠商開放代工業務，並表示代工業務營收在英特爾總營收中的比重將逐漸提升。

三星

2017年7月，三星取代英特爾成為全球最大的晶片製造商。

對於幾乎相同的工藝節點，三星晶片的電晶體密度與TSMC相當。

三星為高通、蘋果、Nvidia和許多其他廠商生產晶片，並且還將其14nm工藝許可給GlobalFoundries。

7nm

三星在2018年下半年在世界上首次採用EUV技術生產了7nm晶片，工藝密度為95.3 MTr/mm?。

相比10nm技術，性能提高了20％，同時功耗降低了50％。

現狀：已進入批量生產。

8nm

三星的8nm工藝也稱為8nm LPU（Low Power Ultimate），它只是其10nm工藝的延伸。

就電晶體密度而言，它與台積電的7nm HPC工藝非常相似，其密度為61.18 MTr/mm?。

該技術用於製造Exynos 9820晶片，將在2019年即將推出的Galaxy S10和Galaxy Note 10中使用。

用於：Exynos 9820處理器。

10nm

三星10nm工藝有兩種變體，10nm LPE（Low Power Early）和10nm LPP（Low Power Plus）。

其第二代工藝（10nm LPP）性能提高了10％，密度為51.82 MTr /mm?，是14nm工藝密度的1.6倍。

適用於：Snapdragon 835，Snapdragon 845，Exynos 9810，Exynos 8895，Exynos 961。

11nm

與14nm LPP（Low Power Plus）工藝相比，11nm LPP（Low Power Plus）工藝可提供高出15％的性能。

但是，功耗保持不變，這個過程更像是對14nm工藝的擴展。

用於：Snapdragon 675。

14nm

三星的14nm工藝是其最廣泛使用的製造節點之一，該工藝的電晶體密度為32.5 MTr /mm?，主要用於Nvidia的GeForce 10系列，以及許多Qualcomm和Exynos晶片。

它有多種變體，14nm LPE（Low Power Early）和14nm LPP（Low Power Plus）。

用於：Nvidia GeForce 10系列，Snapdragon 820，Snapdragon 821，Exynos 8890，Exynos 7870。

三星，是除台積電之外僅存的一家最領先的晶片代工廠，這對部分處於領先地位的無晶圓廠公司尋求最佳技術而言，具有獨特的價值。

三星曾在14nm領先於台積電，並且在該節點表現地相當不錯。

但是隨著時間的推移，在10nm和7nm節點，三星逐漸落後於台積電，或許三星過去一年最大的亮點在於他們在台積電之前，在世界上第一個將EUV光刻技術應用於7nm工藝，而台積電則要在2019年才能應用於共第二代7nm工藝上。

可是，他們最新生產的S10手機處理器卻僅採用8nm技術，由此可知其7nm技術並不純熟。

GlobalFoundries

GlobalFoundries（格羅方德，格芯）是一家美國半導體公司，為高通、AMD和Broadcom等各種品牌製造處理器。

7nm

此前，得益於三星背後的支持，GlobalFoundries的7nm走在前列，而且2018年3月還邀請少數資深記者前往旗下最先進的紐約Malta的Fab 8工廠，介紹他們計劃向7nm EUV光刻技術推進。

然而，計劃趕不上變化。

18年8月宣布，出於經濟因素考慮，擱置7nm LP項目，將資源回歸到12nm/14nm FinFET以及12FDX/22FDX上。

儘管曾有許多業內專家估計它的7nm技術比台積電的7nm還要更加密集，但GlobalFoundries目前已經停止了他們的7nm開發，已經不會再與台積電競爭。

按照AnandTech的報導，GF的5nm和3nm研發也將終止，已經逐步停掉與IBM矽研發中心在這方面的合作。

12nm

GlobalFoundries 12nm工藝的性能比其前代產品提高了15％，密度提高了10％。

Ryzen 2000系列便基於其12nm節點技術。

當前，GF的12nm/14nm多用在AMD的銳龍處理器（Ryzen 2000 Series）、Radeon GPU上，12FDX/22FDX則可以提供優質的性價，可用於集成模擬和射頻組件上，如5G基帶。

用於：Zen +架構產品（Ryzen 2000 Series）。

14nm

GlobalFoundries實際上從三星那裡獲得了14nm技術。

用於：AMD Vega系列，Ryzen第二代APU，Radeon 500系列。

目前，GlobalFoundries已經停止一切與7nm工藝有關的投資研發，轉而專注現有的14/12nm FinFET工藝和22/12nm FD-SOI工藝，提供包括射頻、嵌入式存儲器和低功耗等一系列創新IP及功能，並調整相應研發團隊來支持新的產品組合方案，這一選擇可能和最近幾年窘迫的財務狀況有關。

中芯國際

中芯國際是國內領先的晶圓廠，這裡只簡要談一下其最新進展情況。

在中美貿易戰這個大背景下，中芯國際的進展倍受舉國矚目。

據最近報導，中芯國際在14nm FinFET技術開發上已經獲得重大進展，良率已高達95％，其第一代FinFET技術研發已進入客戶導入階段，並且將在今年上半年投入大規模量產。

同時，12nm的工藝開發也取得突破。

中芯國際的14nm/12nm進展，對於中國集成電路產業來說是一個極大利好，但是與全球的先進技術相比，中國還比較落後，還需要整個產業共同努力，以便早日在世界高端晶片製造領域占據一席之地。

Zen 2 vs Sunny Cove

2019年預計將是計算機硬體行業非常重要的一年，預計AMD、英特爾和Nvidia之間將展開激烈的競爭。

看看AMD的Navi GPU性能到底有多好，這會讓我們這些旁觀者感覺非常有意思。

這裡先討論CPU，稍後再來討論GPU的情況。

當AMD於2017年推出Ryzen時，消費者可以以極高的性價比購買一款令人驚嘆的高性能處理器。

但是即使在推出第二代產品之後，AMD仍然在單線程性能方面落後。

雖然AMD目前是構建工作站和內容創造者的最佳選擇，但英特爾仍然是遊戲玩家的首選。

這一切會隨著Zen 2的推出而改變嗎？

可能會。

基於Zen 2 架構的Ryzen 3000系列（Matisse）將於2019年中期推出。

如果再看一下其使用的工藝技術節點，Zen 2將使用TSMC的7nm HPC工藝製造，其密度為66.7 MTr/mm?，幾乎是Zen +的兩倍。

與英特爾的14nm相比，Zen 2的密度提高了53％。

圖3 AMD CPU架構路線圖（來源：AMD）

對於Zen 2處理器，消費者期待更高的IPC（Instruction Per Clock）和時鐘速度。

這裡，IPC是指 CPU 每一時鐘周期內所執行的指令多少，它代表了一款處理器的設計架構，一旦該處理器設計完成之後，IPC值就不會再改變。

對於當前先進的處理器來說，IPC值的高低往往起到了決定性的作用，而頻率似乎不再像以前那樣重要。

此外，Ryzen處理器中的高速存儲器需求（為了獲得更好的性能）將會降低。

如果網上的一些披露是真的，那麼Zen 2也會採用更多核，但價格與現有的Ryzen 2000系列相同。

AMD在單線程性能方面可能會或可能不會超過英特爾，但它肯定會接近Zen 2，這也將成為遊戲玩家的絕佳選擇。

所以很多玩家對AMD處理器的建議就是希望AMD能夠繼續堅持他們預定的產品上市計劃，並繼續以有競爭力的價格推出產品。

在此情況下，AMD有很好的機會在未來兩年內從英特爾手中獲得不錯的市場份額。

對於英特爾來說，他們又要面對什麼？英特爾在2018年12月11日的英特爾架構日第一次展示了他們的新CPU多核路線圖。

那天，英特爾展示了許多不同的技術，如3D晶片堆疊。

圖4 英特爾CPU架構路線圖（來源：英特爾）

新的Sunny Cove微體系架構基於英特爾的10nm工藝製造，是14nm工藝密度的2.7倍，有望帶來更高的吞吐量和更好的可擴展性。

許多人對英特爾的看法是，如果他們再無法推出10nm的處理器，AMD將極有可能完全統治2019年。

另外，還要注意的是，英特爾還需要為其Core i5和i7系列處理器用上超線程技術。

希望英特爾能夠在2019年底之前發布他們的第10代Ice Lake處理器。

如果英特爾一切順利，並考慮到基於EUVL的7nm工藝正在按計劃進行，他們也可能在2021年推出採用7nm技術的Golden Cove處理器。

從上面的兩家公司產品的對比分析與討論可見，英特爾和AMD的路線圖似乎非常令人興奮。

如果兩家公司都能夠按照計劃交付，消費者將會迫不及待地想看看2021年的處理器到底能夠強大到何種程度。

那麼，你更感興趣的是什麼？

AMD Ryzen的第三代（Matisse）還是英特爾的第十代（Ice lake）？

請在文末留下你的評論，這將是非常有意思的事情。

許多人對Ryzen 3000系列更為興奮，因為採用Ryzen 7 3700X構建PC工作站非常強大。

但另外也有很多人非常希望英特爾能夠在2019年開始大規模生產10nm技術產品，並使競爭變得更加激烈，而得益的必將是我們這些消費者。

品牌之間的良好競爭最終能夠產生非常好的優質產品，但是當壟斷髮生時，品牌最終則只是不斷地進行細微的改進，就像英特爾曾經在Sky lake處理器上做的那樣。

摩爾定律的終結

隨著英特爾10nm技術的不斷延遲，摩爾定律的終結顯然已接近尾聲。

但我們應該把它稱為「減速」，而不是稱之為結束。

電晶體的數量每兩年仍在增加，但速度並不相同。

許多專家相信在量子隧穿效應發揮作用之前，仍然可以將電晶體尺寸縮小5到10年。

但是在接下來的幾年裡，仍然有來自台積電和三星的5nm和3nm節點值得關注。

此外，英特爾即將推出的7nm工藝將擁有比台積電5nm更高的電晶體密度。

猜猜看，未來會是怎麼樣的？至少從目前披露的報導來看，台積電距離5nm並沒有太遠。

事實上，台積電將於2019年下半年開始初步生產5nm技術產品。

台積電5nm和英特爾7nm都將採用EUV光刻技術。

那麼，當摩爾定律終結時會發生什麼？

半導體行業將不得不轉向替代元素或等待某種技術發生突破。

未來就在不遠的前方，讓我們拭目以待！