你追我趕的英特爾和台積電

集成電路剛被發明出來的時候，當時的特徵尺寸大概是10μm（10000nm），之後逐步縮小到了5μm、3μm、1μm、0.8μm、0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm，發展至今，台積電已經開始量產7nm+（採用EUV的7nm）的晶片了，明年還將量產5nm的。

在這個過程當中，製程共經歷了20幾代變革，未來幾年，3nm、2nm晶片也將實現量產。

從5μm到5nm，實現了1000倍的變化，大概經歷了40多年的時間。

人的頭髮橫截面直徑大概是80μm，以採用28nm製程工藝的SRAM為例，可以在頭髮的橫截面上放20735個這個樣的SRAM單元，隨著微縮技術的發展，在直徑為80μm的橫截面上，可以容納越來越多的SRAM單元了。

這主要是由光刻工藝及其技術演進實現的。

然而，隨著特徵尺寸的不斷微縮，逐漸達到了半導體製造設備和製程工藝的極限，眼下，集成電路的電晶體數量，以及功耗和性能已經很難像過去40年那樣，幾乎一直在順暢地呈現出線性的發展態勢（也就是按照摩爾定律演進），而且，不但工藝難度越來越大，成本也高得嚇人，能夠提供10nm及更先進位程工藝晶片製造的廠商只剩下台積電、三星和英特爾這三家。

在這三家中，真正引領摩爾定律向前演進的還是英特爾和台積電這兩強，這兩家公司一直是摩爾定律的支持者，台積電更是認為，半導體製程工藝可以按照摩爾定律，演進到0.1nm。

而在這兩強當中，台積電後來居上，在最近5年左右的時間裡，在半導體製程工藝上一直壓英特爾一頭，不過，台積電成立於1987年，而英特爾成立於1968年，且摩爾定律就是由英特爾創始人之一的戈登·摩爾（Gordon Moore）於1965年提出來的。

因此，真正伴隨晶片製造和摩爾定律從誕生，到發展壯大，再到如今的緩慢前行，就是英特爾了，通過該公司的晶片發展歷程，以及製程節點的演進和電晶體數量的提升，可以對半導體工藝和摩爾定律的發展有一個直觀和系統的認識。

從第一款商用處理器到10nm晶片

1965年4月，《電子學》雜誌（Electronics Magazine）第114頁發表了戈登·摩爾（時任仙童半導體公司工程師）撰寫的文章〈讓集成電路填滿更多的組件〉，文中預言半導體晶片上集成的電晶體和電阻數量將每年增加一倍，這也就是摩爾定律的雛形。

1975年，摩爾在IEEE國際電子組件大會上提交了一篇論文，根據當時的實際情況對摩爾定律進行了修正，把「每年增加一倍」改為「每兩年增加一倍」，而普遍流行的說法是「每18個月增加一倍」。

但1997年9月，摩爾在接受一次採訪時聲明，他從來沒有說過「每18個月增加一倍」。

1968年，也就是摩爾提出摩爾定律最初版本後三年，他與朋友聯合創立了英特爾公司，該公司最初是以設計和生產存儲器為主，後來根據應用和市場發展趨勢，逐步將業務重心轉移到了處理器上。

1971年，英特爾發布了世界第一塊商用微處理器4004，當時採用的是10μm製程工藝，使得該晶片上集成了2250個電晶體。

1979年，該公司又推出了處理器8086，採用了3μm製程工藝，使得該晶片上集成了29000個電晶體，較10μm工藝有了10幾倍的提升，這也是摩爾定律演進的首次價值體現。

1982年，英特爾推出了80286，採用1.5μm製程，電晶體數量達到了134000個。

1985年，該公司推出了著名的386系列處理器，將製程工藝節點提升到了1μm，這使得電晶體數量又猛增到275000個，與3μm相比，又提升了近10倍。

1989年，英特爾推出了486系列處理器，採用0.8μm製程，使得電晶體數量達到120萬個。

1993年，該公司推出了首款奔騰處理器，採用0.8μm製程，電晶體數量則提升到了310萬個。

1995年，推出了奔騰Pro，將製程工藝節點演進到了0.6μm~0.35μm，從而使得電晶體數量達到了550萬個。

2000年，該公司又推出了奔騰4系列處理器，採用了0.18μm製程，電晶體數量達到4200萬個。

2006年，推出了酷睿系列處理器，採用了65nm製程，電晶體數量突破了1億，達到1.51億個。

2010年，英特爾又推出了酷睿i7-980x，採用了32nm製程，電晶體數量突破了10億，達到11.7億個.

2015年，推出了酷睿i7-4960x處理器，採用了22nm製程，使得電晶體數量提升到了18.6億個。

發展到最近兩三年，英特爾處理器則以14nm為主要製程。

從2007年開始，英特爾在製程方面，進入了著名的「Tick-Tock」節奏，「Tick」代表製程工藝提升，而「Tock」代表工藝不變，晶片核心架構升級。

一個「Tick-Tock」代表完整的晶片發展周期，耗時兩年。

按照Tick-tock節奏，英特爾可以跟上摩爾定律的演進，大約每24個月可以讓電晶體數量翻一番。

2015年，該公司宣布採用「架構、製程、優化」 (APO，Architecture Process Optimization)的三步走戰略。

這意味著每36個月，電晶體數量才會翻一番。

自2015年至今，英特爾已在14nm製程節點處停留約4年時間，從Skylake（14nm）、Kaby Lake（14nm+）、CoffeeLake（14nm++），一直在更新14nm製程。

其10nm原計劃於2016年推出，但經歷了多次推遲，直到今年才實現量產。

台積電後來居上

與英特爾類似，台積電跟隨摩爾定律的腳步一刻也沒有停歇，而且，台積電憑藉晶圓代工業務後來居上，贏得了智慧型手機時代蘋果、高通、華為海思等大客戶。

台積電於2015下半年量產 16nm FinFET工藝，這與英特爾的14nm量產時間基本同步。

此後4年，英特爾反覆升級14nm節點，10nm經歷多次跳票。

而台積電則於2017年量產10nm工藝，並於2018年率先推出7nm工藝，從而在緊跟摩爾定律步伐方面，開始領先於英特爾。

而英特爾10nm製程一再推遲，後段採用多重四圖案曝光（SAQP）良率較低可能是主要原因。

7nm方面，EUV是未來更先進位程不可或缺的工具，英特爾採用EUV雙重曝光技術已有提前布局，仍有望按原定計劃量產，由於英特爾7nm節點不再面臨SAQP四重曝光技術難題，而是EUV雙重曝光，有望按原計劃，於2020年量產。

而從電晶體密度、柵極間距、柵極長度等指標來看，英特爾的14nm、10nm節點則要優於台積電，2014年，英特爾發布的14nm節點，每平方毫米3750萬個電晶體，台積電16nm節點約為每平方毫米2900萬個電晶體。

英特爾14nm節點柵極長度24nm，優於台積電的33nm。

10nm方面，英特爾的電晶體密度為每平方毫米1.008億個，台積電10nm節點電晶體密度為每平方毫米4810萬個。

目前來看，台積電略占上風，未來發展，關鍵要看英特爾10nm量產進度。

就目前已發布的技術信息來看，英特爾持續更新的14nm與台積電的10nm處於同一量級，台積電已量產的7nm製程顯著優於英特爾14nm的。

可見，台積電在量產時間上略占上風，而實際技術儲備差別不大。

結語

英特爾與台積電是摩爾定律演進的主要推動力量，而前者開創了該定律，並為其發展打下了基礎，後者則後來居上，在商業模式占優、且敢於重金投入的情況下，帶動了產業發展。

但目前來看，摩爾定律顯然遇到了極大的挑戰，或者說進入了窘境，作為其堅定支持者的英特爾和台積電，也正在想著各種辦法延續這一定律。

*免責聲明：本文由作者原創。

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