拒絕數字遊戲，英特爾10nm工藝+3D封裝是如何捍衛摩爾定律的

[PConline 雜談]從1983年起，英特爾就是全球最大的半導體公司了，不僅營收規模領先其他半導體公司，而且擁有地球上最先進的半導體工藝——沒錯，英特爾在半導體行業上的優勢就是這麼逆天，直到2017年，三星超過英特爾成為第一大半導體公司，並在2018年蟬聯第一。

但是三星半導體做大主要是靠過去兩年存儲晶片的大漲價實現的，這樣做大並不長久，隨著內存降價周期的到來，所以今年英特爾又要重新奪回第一的寶座了——越容易得到的就越容易失去，半導體這樣需要技術積累的行業是容不得浮誇的。

英特爾在全球半導體領域的地位就相當於遊戲中的守關「Boss」，其他半導體公司如果拿到擊殺Boss的成就將是一個巨大的榮譽，但是通關遊戲的玩家都知道擊殺最後的Boss並不容易，一個不小心就會被Boss秒殺，三星超越英特爾的成就現在就被英特爾奪回去了，先一步英特爾的目標就是捍衛摩爾定律，證明自己的製造工藝依然是全球最先進的，沒有之一，哪怕是10nm FinFET工藝也是要比其他家的7nm工藝更先進。

英特爾要想證明這件事也不容易，因為過去幾年中，英特爾的製程工藝一直停留在14nm節點，被網友調侃為擠牙膏，而台積電。

、三星已經先後量產了16/14、10nm及7nm工藝，單看製程工藝數字的話，英特爾似乎已經落後了兩代以上了，以致於廣大網友都默認了英特爾工藝落後的現實。

事實真的如此嗎？並不是，對英特爾工藝落後三星、台積電的認知只是存在於不了解技術細節的媒體及網友中，在半導體業內，雖然大家都看到了英特爾在10nm工藝上的延期問題，但沒有人敢輕視英特爾的技術，英特爾在工藝及高性能架構上依然是領先的。

·都叫14nm工藝，技術水平並不一樣

英特爾是何時被人視為工藝不再領先的呢？是在14nm FinFET這一代上，在22nm節點上英特爾是全球第一家量產FinFET 3D電晶體工藝的，那時候台積電、三星還是28nm、32nm Bulk工藝，英特爾遙遙領先，不過2015年的時候三星、台積電也開始量產14nm FinFET及16nm FinFET工藝，看起來好像是追平了英特爾的14nm工藝，這也是「英特爾工藝落後」這一說法的起源。

但實際情況並非如此，英特爾作為摩爾定律的提出者以及最堅定的捍衛者，一直是嚴格遵守半導體工藝微縮定律的，他們的14nm工藝並不是台積電、三星的14/16nm工藝可比的，後兩家的工藝是在20nm工藝上改良的，實際工藝水平是有水分的。

從技術水平來看，英特爾的14nm工藝在柵極距（gate pitch）、鰭片間距（fin pitch）、金屬柵距（metal pitch）等關鍵指標上都是遙遙領先於其他廠商的工藝的，所以在電晶體密度上英特爾的14nm工藝可以達到每平方毫米3750萬個電晶體，而三星、台積電的工藝只有2900萬、3050萬個電晶體/平方毫米，只比20nm工藝好一點。

所以在這一代工藝開始，三星的14nm工藝實際上應該是17nm工藝，台積電的16nm其實應該是叫19nm，製程工藝的命名已經變成了數字遊戲，英特爾的14nm工藝密度是這兩家的1.3倍多，優勢很明顯。

此外，英特爾的14nm工藝也不是一成不變的，實際上從2015年到2017年已經發展出了三代14nm工藝——14nm、14nm+及14nm++，性能及功耗一直在改良，性能提升了26%，功耗降低了52%，這也是為什麼從Skylake處理器以來英特爾的酷睿處理器頻率一直在提升，第一代14nm工藝的Skylake處理器酷睿i7-6700K的加速頻率不過4.2GHz，最多4核8線程，而到了14nm++工藝的Coffee Lake處理器中，CPU核心數提升到了6核、8核，酷睿i9-9900K的單核、雙核加速頻率甚至達到了5.0GHz，這個提升幅度在改良版工藝中是無出其右的。

如果英特爾學會耍滑頭，他們的三代14nm工藝完全可以學三星、台積電那樣分別命名為14nm、12nm、11nm工藝。

·製程工藝的數字遊戲，三星、台積電帶頭壞了規矩

英特爾在製程工藝競爭上為什麼「落後」？與其說英特爾老實誠懇，不如說台積電、三星狡猾，利用了媒體及網友對技術的無知，當然英特爾在10nm工藝上的延期也給了他們的一個機會，把製程工藝變成了一場數字遊戲，因為在20nm節點之後半導體工藝越來越難，對工藝節點的定義有了分歧，三星、台積電才有把落後工藝改成先進工藝的可能。

經過多年的科普，現在的網友中很多人都知道了半導體工藝越先進，晶片的性能就越好，功耗還更低，核心面積還會減小，所以晶片的產能會增加，由此帶來成本的下降，所以半導體工藝越先進自然是越好的，台積電、三星就是抓住了這樣的心理將自家工藝命名為更先進的工藝，在營銷上占了上風。

但是對半導體製程工藝的命名，不論是國際組織ITRS《國際半導體技術藍圖》還是光刻機巨頭ASML都是有嚴格標準的，而英特爾是嚴格遵守國際規則的，但三星、台積電在最小柵極線寬上玩起了數字遊戲，但英特爾院士Mark Bohr表示線寬僅僅代表工藝節點，但要衡量這個工藝的好壞，Gate Pitch柵極間距、Fin Pitc鰭片間距、Fin Pitch最小金屬間距、Logic Cell Height邏輯單元高度的參數更具參考意義。

為了更好地衡量半導體工藝技術水平，英特爾院士Mark Bohr提出了新的定義標準，如上圖所示，英特爾表示使用標準的NAND+SFF（掃描觸發器）公式才能更準確地估算邏輯電晶體的密度。

不過台積電、三星顯然是不會聽英特爾建議的，他們已經從製程工藝命名的數字遊戲中嘗到好處，怎麼可能現在自廢武功去削弱自己在市場營銷上的優勢呢？所以改變這個問題的關鍵還是得靠英特爾早點拿出10nm工藝。

·英特爾10nm工藝一個打倆：直面友商7nm工藝

在10nm工藝上，英特爾是走過彎路的，主要是技術指標定的太高，導致量產困難，所以進度是落後了，但是高指標的背後意味著英特爾的10nm工藝技術優勢強大，它不僅比友商的10nmnm工藝更先進，比其他兩家的7nm工藝也不遑多讓。

半導體工藝一般的微縮水平是0.7x，換算成面積之後就是新一代工藝的電晶體面積為前代的0.49x，也就是說電晶體密度翻倍就是正常的摩爾定律進化水平了，而在14nm節點上，英特爾實現了2.5倍的電晶體密度，在10nm節點上他們的步子更大了，實現了2.7x倍的電晶體微縮，比業界標準的2x水平高出很多。

除此之外，TechInsight此前分析了英特爾首款10nm晶片酷睿i3-8121，發現10nm工藝使用了第三代FinFET立體電晶體技術，電晶體密度達到了每平方毫米1.008億個(符合官方宣稱)，是目前14nm的足足2.7倍！

另外，Intel 10nm的最小柵極間距(Gate Pitch)從70nm縮小到54nm，最小金屬間距(Metal Pitch)從52nm縮小到36nm，同樣遠勝對手。

事實上與現有其他10nm以及未來的7nm相比，Intel 10nm擁有最好的間距縮小指標。

－ BEOL後端工藝中首次使用了金屬銅、釕(Ru)，後者是一種貴金屬

－ BEOL後端和接觸位上首次使用自對齊曝光方案(self-aligned patterning scheme)

－ 6.2-Track高密度庫實現超級縮放(Hyperscaling)

－ Cell級別的COAG(Contact on active gate)技術

總之，在10nm工藝上英特爾的工藝技術在性能、功耗、密度、核心面積等方面依然是業界頂級水平的。

·10nm工藝遇到Sunny Cove架構：

儘管有過延期，不過英特爾的10nm工藝已經確定在2019年量產了，這兩年的進展也順利多了。

為了更好地發揮10nm工藝的優勢，英特爾還推出了全新的內核架構Sunny Cove，將會用於10nm Ice Lake冰湖處理器中。

根據英特爾所說，SuunyCove架構主要改進是：

·增強的微架構，可並行執行更多操作。

·可降低延遲的新算法。

·增加關鍵緩衝區和緩存的大小，可優化以數據為中心的工作負載。

·針對特定用例和算法的架構擴展。

例如，提升加密性能的新指令，如矢量AES和SHA-NI，以及壓縮/解壓縮等其它關鍵用例。

與14nm工藝的Skylake架構相比，Sunny Cove架構在前端解碼及後端執行管線等微架構上都做了增強。

在前端單元中，Sunny Cove的L1數據緩存從32KB增加到48KB，增加了50%，L2緩存、uop緩存、二級TLB緩存都加大了。

在執行方面，Sunny Cove的尋址單元從目前的4個增加到5個，執行單元的接口從8個增加到10個，L1 Store帶寬翻倍。

此外，Sunny Cove還提高了智能性，分支預測單元準確率更高，並改進了延遲。

最後，Sunny Cove架構還在加密、安全等特定應用上做了加強，最早之前有爆料稱7-Zip的解壓縮性能提升了75%，整體性能非常值得期待。

·捍衛摩爾定律的又一大招：Foreros 3D封裝

在升級10nm工藝及Sunny Cove架構之後，英特爾這一次還祭出了更強力的殺手鐧——Foreros封裝技術，這是一種3D封裝技術，可以根據需要將不同工藝、不同架構的晶片單元整合到一起，實現性能與能效的靈活配置。

根據英特爾所說，該技術提供了極大的靈活性，因為設計人員可在新的產品形態中「混搭」不同的技術專利模塊與各種存儲晶片和I/O配置。

並使得產品能夠分解成更小的「晶片組合」，其中I/O、SRAM和電源傳輸電路可以集成在基礎晶片中，而高性能邏輯「晶片組合」則堆疊在頂部。

英特爾預計將從2019年下半年開始推出一系列採用Foveros技術的產品。

首款Foveros產品將整合高性能10nm計算堆疊「晶片組合」和低功耗22FFL基礎晶片。

它將在小巧的產品形態中實現世界一流的性能與功耗效率。

總結：

摩爾定律已經提出50多年了，過去一直是指導半導體工藝發展的金科玉律，也是英特爾保持技術領先的關鍵。

在14nm到10nm工藝節點之間，英特爾雖然遭遇了生產延期的考驗，但是巨人的轉身也是很可怕的，英特爾的10nm工藝技術非常先進，以致於不僅完勝其他家的10nm工藝，對陣他們的7nm工藝也不落下風。

在10nm之外，英特爾還推出了Sunny Cove架構以及Foreros 3D封裝技術，英特爾高級副總裁、邊緣計算解決方案首席架構師及架構、圖形解決方案總經理Raja Koduri此前表示英特爾在處理器、架構、存儲、互連、安全和軟體等六個工程領域都實現了創新。