英特爾10nm工藝發布，正面PK友商

上月，國際半導體巨擘英特爾在北京舉行了其近十年來在華的首次製造工藝的技術介紹。

此次會議英特爾眾多高管悉數出席。

會上英特爾首次公布了自家最新的10nm工藝技術細節，並深度解析摩爾定律，並揭示目前關於製程節點命名上的貓膩，對於「摩爾定律已死」等言論給予了正面回擊。

英特爾10nm工藝正式發布：領先對手整整一代

在CES 2017上，英特爾CEO科再奇就曾預告，英特爾將會在今年下半年推出新一代的10nm工藝。

現在，英特爾的全新10nm工藝終於正式亮相，同時展示的還有基於英特爾10nm工藝的晶圓。

英特爾表示，其10nm工藝擁有世界上最密集的電晶體和最小的金屬間距，同時實現了業內最高的電晶體密度，領先其他競爭對手的10nm整整一代。

StacySmith首次展示10nm晶圓，其將被用來製造CannonLake晶片

據介紹，英特爾10nm工藝採用第三代 FinFET（鰭式場效應電晶體）技術，並應用超微縮技術 (hyper scaling)和多圖案成形設計 (multi-patterning schemes)。

根據英特爾公布的數據顯示，相比上一代的14nm製程，英特爾10nm製程的最小柵極間距從70nm縮小至54nm，且最小金屬間距從52nm縮小至36nm。

尺寸的縮小使得邏輯電晶體密度可達到每平方毫米1.008億個電晶體，是之前英特爾14nm製程的2.7倍。

得益於10nm工藝的超微縮技術對於電晶體密度的提升，也使得晶片的die size縮小的幅度超過了以往。

可以看到，22nm之前每代工藝的提升可帶來die size約0.62倍的縮減，14nm以及10nm則帶來了0.46倍和0.43倍的縮減。

英特爾表示，相比之前的14nm製程，最新的10nm製程將可帶來高達25%的性能提升和45%的功耗降低。

此外，英特爾還將推出增強版的10nm製程——10++，屆時可將性能再提升15%或將功耗再降低30%。

摩爾定律依然有效，英特爾將推動摩爾定律再戰10年

摩爾定律是由英特爾創始人之一的戈登·摩爾（Gordon Moore）於半個世紀前提出來的。

其內容為，「當價格不變時，集成電路上可容納的電晶體的數目，約每隔24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

也就是說，同樣的成本下，每隔24個月，性能將提升一倍以上。

這一定律揭示了半導體技術進步的速度。

摩爾定律誕生之後幾十年，半導體製程技術的發展也基本遵循著這一定律向前推進。

體現在晶片製程工藝命名上，也一直都是以前一代製程的0.7倍對新製程節點命名，因為這樣的升級每一代的電晶體密度正好是上一代的兩倍。

所以，我們可以看到，英特爾90nm、65nm、45nm、32nm、22nm這樣的命名，而且也基本是遵循每兩年升級一代的規則。

但是自2011年下半年英特爾發布了22nm之後，近2年半的時間，即2014年上半年英特爾才發布14nm工藝。

而在14nm向10nm提升的過程中，其Tick-Tock策略更是遭遇停擺（ick-Tock策略指一年提升工藝、一年提升架構的）。

直到今年，英特爾才正式發布10nm工藝，英特爾最近這兩代的工藝都間隔了3年左右的時間，似乎打破了摩爾定律每兩年升級一代的規律，這也使得外界對於摩爾定律是否走已經失效產生了疑問。

但是細心的網友應該發現，英特爾14nm與之前的22nm的命名並不是0.7倍之間的關係（22nm的0.7倍命名應該是16nm，14nm實際是22nm的0.64倍）。

而且，根據英特爾的數據顯示，從英特爾的32nm開始到後面的22nm，每兩年的時間，電晶體密度的提升都超過了兩倍：32nm的電晶體密度是45nm的2.27倍。

雖然英特爾從22nm升級到14nm，以及從14nm升級到10nm的時間周期都超過了兩年，但是對應的電晶體密度也分別提升了2.5倍和2.7倍。

談到電晶體密度，可能有些人不太清楚究竟如何來計算電晶體密度。

英特爾表示，一種簡單的指標就是用柵極距（柵極寬度再加上電晶體柵極之間的間距）乘以最小金屬距（互連線寬度加上線間距），但是這並不包含邏輯單元設計，而邏輯單元設計才會影響真正的電晶體密度。

而另一種指標：柵極距乘以邏輯單元高度，則糾正上述缺陷而朝著正確方向邁出的一步。

但是這兩種指標，都沒有充分考慮到一些二階設計規則，也都沒有試圖說明設計庫中不同類型的邏輯單元。

因此這兩種方法都無法準確體現實際意義上的電晶體密度。

此外，這些指標量化了比較上一代的相對密度，而真正需要的是給定面積內的電晶體絕對數量。

在另一種極端條件下，用一個晶片的電晶體總數除以面積毫無意義，因為大量設計決策都會對它產生影響——例如緩存大小和性能目標等因素，都會導致這個值發生巨大變化。

其實在摩爾定律提出之時，對於電晶體密度就已經有了一個比較準確的計算公式，只不過這個公式並沒有像摩爾定律一樣被廣泛的認知。

這個計算公式基於標準邏輯單元的電晶體密度，並包含決定典型設計的權重因素。

儘管任何設計庫中都有各種標準單元，但是我們可以拿出一個普及的、非常簡單的單元——2輸入 NAND單元，以及一個更為複雜、但也非常常見的單元：掃描觸發器SFF，結合對應面積和權重比，最終得出電晶體密度。

那麼在這個公式之下，英特爾各個工藝節點的密度又是多少呢？

從上面這張圖上我們可以看到，英特爾14nm工藝下的電晶體密度為37.5Mtr/mm²，而這個密度是英特爾22nm工藝下電晶體密度的2.45倍。

如果按照摩爾定律每兩年翻一番的標準，兩年半的周期，電晶體數量應該是需要增加2.5倍左右，所以英特爾的14nm工藝的電晶體密度也基本符合摩爾定律要求。

而此次英特爾發布的10nm工藝下的電晶體密度則達到了100.8Mtr/mm²，大約是上一代的14nm工藝的2.7倍，也就是說3年左右的時間內，英特爾實現了電晶體密度2.7倍的增長。

雖然還是略低於本該3倍的增長率，但是結合此前幾代超出摩爾定律的增長數據，英特爾10nm工藝仍然符合摩爾定律的對於電晶體密度的線性增長要求。

當然，摩爾定律除了要求每兩年電晶體數量翻一番之外，還包括對於性能增長、成本下降的要求。

可以看到，英特爾每一代工藝的提升都帶來了處理器性能的大幅提升和功耗的大幅下降。

從成本方面來看，雖然晶片每平方毫米的成本在不斷上升，但是隨著電晶體密度的提升，同樣數量的電晶體所占的晶片面積是不斷下降的。

所以總體上單位數量電晶體的成本不僅沒有增長，而且一直在下降，雖然下降幅度相比之前在放緩。

如果結合450mm晶圓技術，則可以進一步減少單位面積下的晶圓成本，從而推動電晶體成本的加速下滑。

我們不難看出，在英特爾的推動下，摩爾定律依然有效，並還在繼續向前推進。

「摩爾定律使計算得以普及。

它是一個非常強大的經濟學定律：按照特定節奏推動半導體製造能力的進步，我們就可以降低任何依賴於計算的商業模式的成本。

」

Stacy Smith稱：「想像一下，如果其它行業以摩爾定律的速度進行創新——性能每兩年翻一番，那會發生什麼？汽車能效：現在只需一加侖汽油，即可行駛相當於地球和太陽之間的距離；農業生產力：現在只用一平方公里土地，即可養活全部地球人；太空旅行：速度現在可以提升至300倍光速。

這也是為什麼摩爾定律如此重要的原因。

」

英特爾高級院士、技術與製造事業部製程架構與集成總監Mark T. Bohr

英特爾高級院士、技術與製造事業部製程架構與集成總監Mark T. Bohr也表示：「逐一實現全新的製程節點變得愈加困難，成本也更加昂貴。

這也意味著半導體製造業將繼續整合，因為越來越少的公司能承擔得起推進摩爾定律的成本。

」

此外，為了推動摩爾定律在未來的繼續前進，以及可能的後摩爾時代的到來，英特爾還積極研究如納米線電晶體、III-V 材料（如砷化鎵和磷化銦）電晶體、矽晶片的3D堆疊、高密度內存、（EUV）光刻技術、自旋電子、神經元計算等前沿項目。

製程節點命名上的「貓膩」

從英特爾的22nm之後，台積電、三星等半導體製程技術似乎也開始逐漸迎頭趕上。

雖然2014年英特爾就推出了14nm工藝，之後僅一年不到的時間，三星也推出了自家的14nm工藝，隨後台積電也推出了其16nm工藝。

2015年下半年發布的蘋果iPhone 6s所搭載的A9處理器就分別採用了三星的14nm工藝和台積電的16nm工藝。

去年年底，三星和台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。

真的是三星、台積電的製程工藝開始趕超英特爾了嗎？

近10多年來隨著製程越來越困難，晶片代工市場的玩家到現在只剩下四家廠商

其實，這只是三星、台積電為了爭奪市場，而採取的製程數字上的營銷策略。

「隨著摩爾定律的推進，製程升級也開始變得越來越難，一些公司開始背離了摩爾定律對於製程工藝的命名法則。

即使電晶體密度增加很少，但他們仍繼續推進採用新一代製程節點命名。

這也導致了製程節點名稱根本無法正確體現這個製程位於摩爾定律曲線的哪個位置。

」Mark T. Bohr解釋道。

如果以前面提到的電晶體密度計算公式作為標準的話，我們不難發現，英特爾三年前推出的14nm製程所能達到的電晶體密度已經與三年後台積電、三星所推出的10nm的電晶體密度相當。

英特爾最新的10nm製程工藝雖然比三星、台積電的10nm工藝推出時間略晚，但它的電晶體密度卻達到了後者的兩倍。

此外，英特爾10nm的鰭片間距、柵極間距、最小金屬間距、邏輯單元高度等指標均領先於台積電和三星的10nm。

英特爾的數據對比真可謂是刀刀見血。

以往英特爾在技術方面都比較低調，這次也是近10年來第一次在中國舉辦製程技術交流活動，相對於以往，英特爾在對於自家的製程技術宣傳上變得更加高調，這樣的變化背後，一方面可能是由於競爭對手的節點命名及營銷策略讓英特爾很被動，另外一方面則是因為英特爾正計劃大力開拓晶片代工業務。

去年8月，英特爾宣布開放代工業務，同時與ARM達成新的授權協議，英特爾將可以利用自己的製程技術代工ARM架構的晶片。

今年，展訊發布的SC9861G-IA和SC9853，都採用了英特爾的14nm工藝代工。

現在，英特爾還開放了22nm FFL以及最新的10nm製程，晶片代工市場又多了一個的玩家，台積電、三星想必壓力山大。

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