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芯片大厂们的制程“撒谎”史

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发表于 2023-2-1 13:50:23 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 江苏常州
2022年12月,91岁的台积电创始人张忠谋站在亚利桑那州凤凰城的巨型工厂前,而台下是这个星球最有权势的半导体决策者们——苹果CEO库克、英伟达创始人黄仁勋、AMD董事长苏姿丰、美光CEO梅洛特拉、阿斯麦CEO维尼克。当然,还有年过80岁的美国总统拜登。  [" ?5 q; }& X2 f3 w& M# ?% N
            这里的每一个人单独拎出来,大概都可以给摩尔定律改上几个参数。但他们齐聚一堂,却是为了台积电3纳米的晶圆厂。2014年以后,美国本土顶级晶圆厂发展(主要是英特尔)一直掉队。而台积电则被认为将会是目前最高端的晶圆制造商,拥有最先进的制程和领先的良率。
+ g$ E+ {" u9 s( s3 g/ o            众人开心,唯独张忠谋很忧伤。  v( d& o- L( N: ^% B) j* A. o
            他明白这大概是台湾地区半导体最高光的瞬间,却也是最黯然的时刻。他短暂回顾了台积电与美国的历史,然后喃喃吐出了一个名句,“全球化几乎已经死了,至少有那么一段时间,它们不会再回来。”% t+ k. R& _& u
            这句话像是说给自己听的,同样也像是说给台湾地区民众听的。6 D1 T( D8 ]# w/ w9 V
            这场“大搬运”在台湾地区内部引发了一系列的负面反响,批评台积电“变节”,改名“美积电”的声音不绝于耳。因此,台积电相关人士被迫出来反复“澄清”,表示台积电依然会把最先进的制程工艺留在岛内:
: a1 W0 g* f8 b4 Q6 X2 e            1纳米工艺确定落地新竹龙潭园区,总投资或将超320亿美元。
/ Y% z1 ]$ F0 ^0 I( Q$ s. L3 L            图源:网络            8 j  ]" w/ [/ |6 {- J3 U
            台湾民众听完心稍安了,有网友简单朴素地换算了一下:  Z& N# H  z, Z' G  z
            ∵ 1纳米等于3纳米的三分之一, s0 L) g/ t6 a: z2 D9 ~% Q
            ∴ 台积电的能力是美积电能力的三倍9 q# M. V5 l5 R* x
            ∴ 台积电依然是台湾的骄傲
8 D' }" ?! n& r2 R9 \2 ~1 S            但对于更多的人来说,1纳米制程本身就是一个令人疑惑的概念。2 d$ Q# g$ t( ^9 A
            从微观极限的角度来看:硅原子的直径不到0.12nm,1纳米工艺意味着8.5个硅原子的大小。考虑我们的芯片工艺和算法能力谈不上“量子计算机”的水平,更解决不了在量子层面的种种反牛顿力学的工程问题,如此小的工艺足以让人吃惊了。1 }  A0 d. q. t1 s
            那么请问台积电生产的1纳米、3纳米、5纳米、10纳米工艺的芯片,到底是芯片上的哪一个部分呢?
$ r! Y+ |; ~! f! ]            答案是:无。& k' S) F# T: k
            10纳米芯片的实际制程(最小金属间距)大约在40纳米左右;5纳米芯片的最小金属间距大约为30纳米;3纳米芯片的则大约为22纳米。
' C! C: C7 B4 c& R& J, j# I            1纳米的芯片只存在于高校的实验室里,并且在短期内都不会出现在任何晶圆工厂中。
( M! Z( [8 M1 C: Y$ V! O            2019年台积电研发负责人、技术研究副总经理黄汉森在一次论坛中做出了这样的承认表态:“现在描述工艺水平的XX纳米说法已经不科学了……制程节点已经变成了一种营销游戏,与科技本身的特性没什么关系了。”0 U# w; z7 ~: v7 D) p% |0 Z
            对于台积电来说,这是一场营销游戏;但对于消费者来说,这更像是一种共谋的“骗局”。
: p: `1 L1 N4 r# U* a$ b: ~# M            纳米制程:世纪乌龙7 G- x% Y( q4 l+ H: }
            定名
7 t4 O; x; `, V' D            要弄清楚黄汉森会这么说,我们还要回到芯片结构说起:
; I; n6 P  p' z0 c( ]( [$ Z            一个典型的晶体管其实分为三个单元,源级(Source-可理解为电流入口)、漏极(Drain-可理解为电流的出口)、栅级(Gate-可理解为开关-此概念将反复在文中出现)。栅级的开合,决定了电流是否通过,也就输出了所谓的0-1信号。6 D# g0 [& P0 n' B4 q: _/ k# u6 A
            晶体管的“开关”实际上控制了0和1的信号输出,且栅级在很大程度上决定了这个晶体管的性能——栅级越短,晶体管开关的速度自然也就越快。% C- r0 S7 T$ i) n/ M
            更重要的是,在早期晶体管的发展过程中,人们发现栅级的尺寸与晶体管密度的数据发展进程是高度吻合、呈现等比例缩放的。
9 g- @, _! P6 P- C% E            于是在上个世纪70年代开始,人们便利用栅级的尺寸来命名制程的大小。
& P. U) o0 M. t2 k            而以纳米来衡量制程,可以让大众更清楚地知道技术发展的进程。同时,行业也利用这个制程向公众传递一种“技术审美”:制程越小、代表芯片越先进。3 v( W$ N) j% [) p6 D& [: E" F$ o
            一方面,摩尔定律规定芯片晶体管密度18个月要提升一倍、价格下降一半,这几乎只能通过降低制程来实现;另一方面,晶体管的快速增长会带来严重的功耗问题,也需要通过降低制程,来减少单个晶体管所需的电压。
2 Q% W1 G  y, N& t, C$ ^$ u            否则,有人认为,如果沿着晶体管密度的线路发展,芯片的能耗密度将超过火箭发射器[10]实现真正的“为发烧而生”。
: g2 I$ a, e6 K' F- `3 f$ J            因此,单个晶体管的大小在当时成为了决定晶体管密度最重要的指标之一,在很大程度上可以决定晶体管的性能。
" _; w) I6 G" ^            既然,晶体管大小决定了晶体管密度,而栅级又与晶体管大小高度相关。那么,用栅级大小来命名制程节点,似乎也没有什么问题。
1 u7 f( d/ }0 U3 m+ t5 V            但Bug却还是出在了对摩尔定律的崇拜上。
6 O  Y/ y/ P. r( k) F9 Z+ ]1 ^            当时人们在用栅级来衡量芯片制程发展的同时,竟然还用摩尔定律“倒推”了一张栅级制程的迭代表格……- ^; E9 p+ [, z, H; T/ ?6 `
            既然根据摩尔定律,芯片每一代的晶体管密度要提升一倍,那么对应晶体管的二维面积就要缩小一倍,那么一维长度大概就要缩减成上一代的0.7倍。
+ k2 N4 F; H  L- c            于是,一张基于摩尔定律的、乌托邦一般规整的制程节点表,就这么诞生了。/ l" H( H3 }7 f# T% J
            每一代制程都“准确地”比上一代缩小0.7倍,表格长度从3000纳米一直排到了0.9纳米……$ P! `6 H0 f' w2 F
            图源:wikichip            
* a6 `3 w5 R! q0 d# [: t- t  |            这种“换算”的好处在于,它像一个天然的OKR——他将摩尔定律这个Objectives,落实成为了一个简单可量化的Key Results。在一定时间内,它也确实指引了芯片工艺的方向,似乎只要我们不断缩小制程长度,就能够到达摩尔给人类描绘的技术彼岸。
. Y+ @8 z- u5 d) Y2 {; _$ Z            但这种过于理想化的技术想象,却客观上忽略了长期的技术变化。+ j" W; M0 R' o
            最终历史证明,“栅级宽度与制程等比例变化”,“制程与晶体管密度等比例变化”,这两个最重要的同步性预测,其实只是上个世纪70-90年代的短暂产物。  P# c3 Q: N/ q( t$ }
            破产
4 T3 M. c2 r! X) _) C$ ?/ p, \            在90年代后,这种耦合就开始走向了破产。[1]
8 \& I& Y# [5 ]( s  E            既然栅级是核心部件,那么随着芯片工艺的持续改进,厂商开始给栅级更多的优先级。他们采用更好的材料、甚至加高栅级的高度等等措施,来达到更窄的宽度,进而提升晶体管的响应速度[2]。栅级的缩小速度开始领先于整体单元的缩小速度。于是,等式被打破了,制程节点开始失效了。
( I, d# z. V, w& s5 T5 n            一开始,栅级的缩小自然领先于制程节点:
9 F1 n8 _; [6 P  ?. U            在130纳米制程的时候,栅级的实际尺寸其实只有70纳米左右了,几乎领先了纳米制程命名一倍左右。不过,既然栅级与单位整体不成比例,跳过阶段去命名芯片制程,多少就显得有点不讲武德、违背祖训了。再加之晶体管本身的发展速度还是大致沿袭了摩尔定律的预测,所以人们也还是沿用了此前的制程命名方式。
1 ^! ?, ]7 S* X& T+ C% ~0 h% l" q            图源:ieee spectrum[1]            " ?6 u( l7 d/ V: o
            但人类不可能永远以几何级的速度去实现芯片制程的缩小,过薄的栅级会带来各种各样的工程学难题,比如“漏电”。制程变短带来的短沟道效应,会直接影响芯片的稳定性、功耗和寿命。于是,栅级制程的发展逐渐缓慢下来,与制程节点开始逐步靠拢。
3 v7 i' k5 D5 r7 M+ o: `            这意味着人类必须重新思考芯片的设计架构,才能继续推动摩尔定律的历史进程。% h  S, f5 g; D' S: n
            如图所示,制程命名与栅级宽度的交叉点发生在2012年。, Q# i2 X  S% x6 s0 R
            那一年英特尔彻底改变了传统的源级(Source)-栅级(Gate)-漏极(Drain)的平面结构(Planar),转而采用了下图右侧的FinFET鳍式场效应晶体管,通过加入鱼鳍Fin来帮助栅级提高性能。3 F' N2 L2 y% b' l
            这种结构的转变,也意味着芯片开始更多地从平面结构模式,转向3D、立体的设计思路[11]。当横向发展受挫的时候,晶圆厂开始比以往更多地向“天空”寻找空间。
5 b- l. M5 c6 E  n            图源:LamResearch            
, O* M( C! _2 T% d            你甚至可以说,在22纳米以前的芯片原本就是“低垂的果实”。而如今,在材料物理学上没有飞跃的情况下,每一次向更低制程的“拱卒”,都需要耗费工程师头上更多的头发。
9 S. [: X0 M! l/ V! e/ x' C. R            好消息是,摩尔定律还在苟延残喘;坏消息是,设计驱动似乎会变得越来越密集。. |1 n7 |" K: G) }
            Planar结构用了二十多年,从3000纳米一直用到22纳米;FinFET结构用了10年,从22纳米一直到3纳米。此后,FinFET结构就逐步无法继续提供足够好的静电控制了,又需要在结构上进一步更新[3]。& d( N3 s# f/ ]1 D7 I
            GAA(全环绕栅级)被认为是下一代的技术路线。
( `* u& b3 z: I& o6 h            例如在“3纳米”工艺上,三星就官宣了其全新的结构方案:MBCFET(多桥通道场效应晶体管multi-bridge-channel field-effect transistor)。而台积电方面预计会在“2纳米”工程中导入新的GAA结构方案[4]。, J; ~$ q/ B! h( U0 f
            而GAA也不会是历史的终点。东京电子此前的一份报告中,就直观地展现出了其对芯片结构变化的可能性。GAA可能只会主导几代芯片,更强悍的制造工艺将会是CFET(Complementary FET,互补场效应晶体管),利用3D堆叠器件进行芯片制造,或许将主导“1纳米”以下的制程开发[12]。( k+ t. g' Q: x% V- B, P
            图源:东京电子            
, K# p# U# e, U0 ^" j6 Y8 H            从结构图来看,新的3D工艺就像是在平面上盖楼,来维持摩尔定律的增长。这将是一座宏伟的宫殿,栅级再不可能有曾经的参照系地位。实际上,以台积电和三星的制程数据为例,其10纳米芯片的栅级宽度大致在66-68纳米;3纳米芯片,大致在40-45纳米。
: p* Q5 B. @& u& t. N/ f            如上图所示,研究机构也转而使用了金属半截距作为参照。在3纳米之后的每一次技术迭代,晶体管半截距大概就只能进步2纳米左右。但命名系统依然遵照了摩尔定律的命名方式,以0.7倍几何级速度,头也不回地一代代迭代下去。- Y8 N& e, J- j8 `
            于是我们就出现了一个悖论:: ?  U. U* N  U2 Z2 P9 E
            晶圆厂在做一项夸张的人类雕刻活动,而这种复杂的结构恰恰是因为人类无法很好地驾驭原子层面的工艺,所以需要另辟蹊径才能满足摩尔定律。但摩尔定律的制程表,却还在不断强调极短制程的重要性。2 Y* H; B& v5 i# ?1 q* U, t$ y
            摩尔定律在嘲讽摩尔定律。  F( E2 P0 v( i; r
            在5纳米时期,制程差异大约是5.6倍;而到了7埃米时,制程差异大约会到17倍。
7 W! F  h5 _5 N7 N7 j            图源:台积电官网异化            / ]. S2 v7 _% t. ?. b
            严格来说,从90年代开始,以纳米命名制程节点的方式已经破产了30年了。从5纳米到3纳米,就像iPhone13到14一样,仅仅只是用于技术代际区分的营销意义,没有任何实指的工程学意义。9 I, R. x* m* q* O
            如果一定要牵扯上什么关系的话,那也只能是:
$ A' I+ k# Z( O            这颗芯片的性能相当于,假如我们能在Planar结构中造出0.8纳米制程的芯片、且没有微观量子找麻烦的情况下,该有的性能。1 f# A+ t/ T( r& t
            这大概要等到上帝把宇宙的代码开源以后了。' K4 M. [( M1 {" ^
            从理论上来说,目前这种制程节点命名的合法性来源其实只有一个:每一代晶体管数量翻倍。但即便如此,杀红了眼的晶圆厂也不会就此罢手。( u) \, {( b  J! T% E: j7 l5 e7 _
            人们渐渐发现,不同晶体厂对于“翻倍”的标准竟然也是不同的。
. x% M% Y+ z' E' `& n1 U            以14纳米向10纳米的过渡为例,英特尔与三星、台积电就出现了定名路线的争议。英特尔为了遵守摩尔定律规则,坚持将随后的两代芯片连续命名14+与14++,就此得名“牙膏厂”的雅称。而三星和台积电则直接将产品命名为10纳米,迎合了C端消费市场的换代审美。0 f& f9 r4 U" _% v. y6 G
            但当时两个阵营的芯片能力差距尚没有代际级的差距,于是就出现了芯片历史上有趣的一幕:, h5 l) C8 e5 b; N9 F4 t4 C
            同样制程名字下,英特尔似乎比同类领先了一代;但台积电与三星下一代来临的速度,似乎领先了英特尔不止一代。
% v2 m$ Z8 h) Y* u% N/ R) |            当时有不少媒体和机构都指出,如果按照台积电和三星的标准,英特尔14纳米+产品线其实可以被称作12纳米。而英特尔随后推出的10纳米芯片,其表现甚至部分优于台积电7纳米。英特尔也在媒体沟通会上,拿出了大大的10纳米制程的参数对比表格,暗示友商不讲武德[5]。
# _  G( e/ {- O# H' t) [            但当英特尔完成10纳米量产的时候,台积电5纳米产线都已经在建设中了。
. K: y4 A1 a6 R+ Y3 s: U            图源:同名不同姓,参数差了一代|图源:EDN China[5]            
! [' T) `4 o* Y8 a" H. n  H            纳米制程推出的目的之一,其实是让不同的晶圆厂,都能够在同一个标准体系下定名。但“各说各话”的定名方式,又客观上解构了标准。
) G4 d- S4 Y* U9 a2 v% P            纳米节点命名从服务摩尔定律的“公式”,变成了服务晶圆厂自身节点规划的“术语”。8 K: a' [2 {# b# U# u4 _
            这种随意性可以体现在本文开头时,媒体对于1纳米、2纳米芯片的宣传上。台积电所说的1纳米芯片,在摩尔定律的表格上实指18埃米制程。但已经没有人真的在乎这套天马行空的制程命名方式了:8 x4 r% [2 d0 ]6 j- R8 I# t
            1.8纳米制程,干脆又被抹零成为了1纳米…
; U$ |  b. ]) U6 t: C+ y( h, M            这种越来越具有误导性的营销话术,很容易导致普通民众对芯片制造能力的误解。" Y( k$ k) }* C! y$ J; M, M( z
            一方面,普通人很容易对人类本身的材料技术工艺得出过于乐观、超出实际的印象;另一方面,随着制程名字越来越夸张,普通人也很容易得出“芯片制程发展走到极致”的悲观结论——毕竟如果哪一天制程命名方式已经接近原子大小了,难道我们要切开原子核来制造晶圆吗…& ^; b- R: I) u9 O% b& D0 ?
            图源:unsplash后摩尔时代            
* x5 d  }# ?' L% y1 D( B" g            在过去二十年的时间里,人们无数次地讨论摩尔定律的死亡与延续。而这种讨论的本质,其潜台词都指向了对摩尔定律的理解上。' f% I$ b+ z+ b$ t) q
            支持者认为,晶体管数量大致保持了翻倍的趋势,故摩尔定律依然生命力旺盛;而反对者认为,摩尔定律首先应该是一个成本公式,暗含着IT技术的普惠性。* E, B$ M7 w' f; m6 N( ~& O
            极端一点说,如果我们在实验室里造出小批量的、极其昂贵、但晶体管密度极高的芯片(事实上已经存在于很多大学实验室里),这一定跟摩尔定律没有任何关系。8 H$ x  h9 ^+ k, U7 f. M0 P
            纳米制程节点、而非晶体管密度,在早期能够代表摩尔定律的发展,就隐含了对这种技术平衡性的追求。纳米命名模式与实际制程的分道扬镳,其实本身就标志乌托邦式的摩尔定律开始解体——这本身就是摩尔定律的宿命,天下没有不散的宴席,技术的发展不可能是一条直线。# F. T$ `: C) W. K
            但纳米节点却扮演了一种“遮羞布”式的角色,人们假装摩尔定律还存在,却事实性地绕过了摩尔定律[7]。
1 V7 R1 c. a7 b2 X            晶体管结构越做越复杂,核心越来越多,芯片大小越做越大。! s% D4 V( A! X
            图源:苹果            1 ^$ n+ j% j, u5 S4 J
            激进的进步姿态对环节各方都有着更高的要求:
. z0 q1 a. o; Y1 R8 g( V0 c            于是我们发现芯片的控温越来越难了,明明是“5纳米”的芯片,却比“10纳米”烫得多;
( l. j% O& e* T            我们渐渐发现旗舰芯片越来越贵了,对应终端设备的价格也水涨船高了;' b' y; z& N* Z6 p
            有媒体援引机构调研数据表示,各个工艺下芯片开发成本正在着呈几何级的增长:
8 A/ Q9 @, o/ ~& H4 g4 g6 m            28nm工艺4280万美元22nm工艺6300万美元16nm工艺需要8960万美元。到了后期,芯片开发更是巨人的专场:7nm工艺2.486亿美元5nm工艺4.487亿美元3nm需要5.811亿美元2nm工艺需要7.248亿美元[8]
+ D  v) u0 k" R6 I2 A            而这仅仅是芯片公司的开发成本,对于晶圆代工厂来说,产线的建设投资成本更加高昂。% e0 r" k0 ^% f0 G7 \  G
            建设一座28nm晶圆厂投资额达60亿美元,但等到5nm晶圆厂投资额高达150亿美元,而兴建一条3nm产线成本为150亿~200亿美元[9]。而台积电最近宣布投资的“1纳米”工厂,投资规模高达320亿美元。  V. y. ^9 ]8 C+ l# @6 i7 T- C
            有传闻称,台积电3纳米芯片的报价将超过2万美元;5纳米时期的报价还只有1.6万美元,7纳米时不过1万美元。[13]
& L0 G: r0 n' |, I. n1 |4 l$ Y4 G% [            有多家海外科技媒体报道称,由于晶圆厂的报价实在过于昂贵,高通和联发科甚至不排除会弃用2纳米的芯片制程。3 h- G: n; f/ X: [; M; I
            图源:英伟达            
: d2 `# A# Z& C  r            我们正处在一个“后摩尔时代”,进入一个全新的技术环境。# F0 J0 Z# g1 x3 q
            从这个角度来说,“纳米”则更像是这个时代的一个“史前传说”,它生动、古老、代表了美好时代的技术品德,但它却很难再回来了。3 W$ b# ?  B- r8 l& p% @) e
            参考资料:- n) B5 Q7 ~6 M* E
            《a better way to measure progress in semiconductors》,ieee spectrum* `* @+ D& {! u1 |. W
            《Introduction to Microelectronic Fabrication processes》,NPTEL
$ x' w1 r$ ~: E  G            《后FinFET时代的技术演进》,NicEda
# t$ K+ ^! @( |: |            《台积电预测:2023年半导体市场将下滑4%》,中国电子报
4 L$ Z) L; G' u  ~            《全球首次亮相10nm工艺,英特尔如何玩转工艺节点的数字游戏》,EDN China0 f/ f3 P5 ?3 {4 k2 s/ @: r& d+ a# n6 d
            Wikichip:3nm
6 I8 b! K9 q" e$ ?, p% R' y            《只用一周时间,摩尔定律就死了一次又活了回来》,品玩
" @8 z. y# O2 V, W2 ~. s2 \" Q" I+ A            《抢跑2nm,是否操之过急?》,半导体产业纵横
6 B9 g( K) Y9 i$ g9 h$ Y            《Industry watch: The expensive semiconductor game》,DIGITIMES ASIA
& U" N) U3 J+ L7 A            《半导体制程,经历了哪些重大的发展节点?》,知乎周报-端点星
' c( |. \2 M" E1 t* x% s# B* b: ?            《芯片中的“层”,层层全解析》,芯论语
7 z& Z0 i' b6 A/ D2 |" l# N/ o            《后FinFET时代的继任者》,半导体产业纵横
0 |0 i* W" y7 \            《14万一片晶圆!台积电3nm工艺报价翻倍:苹果成最坚定客户》,雷科技

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