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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。
& d2 {/ p' v5 e* D  g) h. [( w            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。+ u5 s. j# `( m6 h7 v& D, ]
            众人开心,唯独张忠谋很忧伤。
6 w  d; e6 g- I# D            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。”# z7 w7 \  S3 Y1 i
            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。
4 {' R- V- R8 I0 C, W            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:
# P/ q0 {! K( d" Y            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。
7 Q4 z, L6 \' d6 U: y            图源:网络            3 s3 R1 b* c7 p/ W8 q1 s) G
            台湾民众听完心稍安了,有网友简单朴素地换算了一下:
; ^8 `6 v* Y% ?6 H7 ~4 K0 H& y5 o            ∵ 1纳米等于3纳米的三分之一  N3 v3 A6 d& [# c# q3 l
            ∴ 台积电的能力是美积电能力的三倍
# `  N$ _% X8 a. q, Q( o            ∴ 台积电依然是台湾的骄傲
: `* U. |2 D5 A1 o* Z8 S) R            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。
$ a$ f- A! M! z, J: y6 W            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。# d4 f+ M/ i, p, J* l
            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?
/ f, R( B3 h  u0 x  R7 }3 n- l3 s            答案是:无。
. w6 u1 D! O* c7 @, B            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。
% e% C, O9 Q, {4 u/ P; K            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。
( n- L9 f- X9 A3 [1 ^            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。”" `: X0 v4 t4 }3 m" M! \
            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”。
9 w5 h: G* i+ |: Y            纳米制程:世纪乌龙1 |: I; K. p3 I3 _$ C( ^* L
            定名6 Q8 X" d$ w. }, l9 L
            要弄清楚黄汉森会这么说,我们还要回到芯片结构说起:* j' H* z0 I  R. R- V; j! y! ^
            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。* ?9 d2 K6 u- j- |! ?/ 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。
3 u% |5 B" Q/ w# F& l# _# c            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。
; u* |1 K& t3 e, P  y            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。
- V, r4 s  J9 ^            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。
" d. W" b, k; ?: A8 h% d            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。: l5 R6 m) P* P
            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”。
; {; ^) R2 j5 b3 Z7 H8 z            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。( H; ]. e* |+ J1 L/ L$ T, ?+ o4 w
            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。
; L3 L- B4 ~/ J+ q$ r9 ?            但Bug却还是出在了对摩尔定律的崇拜上。- s8 C8 N# t) B$ ^/ G
            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……7 I. M* M( m' Z. N7 j% H9 ]
            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。
! C$ M. Z# F' p8 B' @/ I            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。
" ~# h* }3 f% R) W+ t3 L6 {            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……( v6 {+ ]/ ^6 w" {/ ~4 ?
            图源:wikichip            & |! @! V9 \9 Y4 s
            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。
3 F! }9 B6 |, h' e$ H0 U            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。4 K2 Q+ {( T- i3 a) u
            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。+ f7 V) Q* ?6 K. _3 W: Z. X
            破产3 F' ^5 E: B7 v# R# A
            在90年代后,这种耦合就开始走向了破产。[1]
% l/ K9 B5 a4 a* F9 D# H" c            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。% u/ O8 t1 \3 U2 c
            一开始,栅级的缩小自然领先于制程节点:" o# y% |) \& B* z; Q$ Z
            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。
2 ?& i* U9 X$ N1 O4 r5 o            图源:ieee spectrum[1]            : w7 q4 X% K; t6 E& q0 P+ L  P
            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。
2 D! r7 N6 i: s5 L            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。
" F7 a! R2 j2 \- y            如图所示,制程命名与栅级宽度的交叉点发生在2012年。
7 ]- ]  f9 v' ~            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。
- M6 O% h  H# |% e( O            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。- x3 _$ k% X* s5 M; D
            图源:LamResearch            
  X$ x1 r7 z, W! T" ]4 v            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。0 X* u7 |! U& J1 v- ]0 O8 o' }7 [
            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。/ O3 o  S0 s+ o3 y: |
            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]。
* ]0 n7 K0 g: u8 B/ Q4 V: ^0 f. }7 j; d            GAA(全环绕栅级)被认为是下一代的技术路线。- ~& W/ M. u2 P4 _, M- g
            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]。
& D) ~! v% P+ a8 d7 c            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]。
9 V+ R! c/ ?3 ]6 m7 S: v+ u            图源:东京电子            
* k. o( F  z0 }+ p, @# ?' v            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。
( b$ S: \) L/ U4 I, N/ \. Q% K% c            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。
0 z7 }& G8 e' a5 R$ g' l3 z3 E            于是我们就出现了一个悖论:
3 h/ v% I# T7 Q8 j8 ]            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。5 f' R* \, x- @, P
            摩尔定律在嘲讽摩尔定律。
. T$ [& E- B2 c7 ?            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 F# k# j8 B/ l9 u5 c, q9 s& N; Y            图源:台积电官网异化            
! Q7 \* W8 q0 x: L            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。
# I% ]8 a) \( _            如果一定要牵扯上什么关系的话,那也只能是:  u3 M; ~+ Z0 D3 H
            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。
3 ]( J' b, w4 H( [7 L6 Q0 Y            这大概要等到上帝把宇宙的代码开源以后了。; S8 T: P, C" Y4 S/ m: `4 `
            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。7 ^% ~# [, v0 j, Y+ f& ^" y
            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。
; J' n3 D; E6 O: d; g3 f            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 e7 ?& I- |! j; z, T4 N2 b            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:' M7 _: b! A1 ^4 m1 @: p6 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。
8 k( [. J6 b* a4 p" g' F            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]。  l8 v( s- h  d9 G
            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。; o: ]% O% z- J4 R5 O0 [" A
            图源:同名不同姓,参数差了一代|图源:EDN China[5]            
* Z# D/ N" D& G2 a            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。- S; U. r! c& `
            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”。9 h2 l' H& b( t' E: d+ w
            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:9 [* U0 _  ^1 d3 l5 r5 g2 [, @. q/ b
            1.8纳米制程,干脆又被抹零成为了1纳米…+ N% R1 \* M. l1 R) f
            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。. O9 ]' t. A3 u+ W/ y
            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…2 s3 `  f+ z# n. \, W) L! Y% `
            图源:unsplash后摩尔时代            
+ E( g8 v# g" H            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。
5 v0 x  t$ Q; v5 q. N            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。6 [/ n" L+ O( d4 O' @0 q
            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。
: n9 W! g1 Q, c  p) y, z! @            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。0 T( B% `. M3 n: u( B
            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]。
0 Q- R9 n: p' e+ F% \9 X  {/ @. b            晶体管结构越做越复杂,核心越来越多,芯片大小越做越大。! A0 I4 C7 w% D0 U* l8 S9 w
            图源:苹果            
  k; K  W- X7 l$ n& Q' k; ~9 k            激进的进步姿态对环节各方都有着更高的要求:
: W$ E+ f0 g+ s0 F5 U# _            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;
. ?& @% I- N- G5 s; I            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;9 q+ |, V& e* w8 F' q4 g3 x
            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:$ x% E# I7 p5 c6 c
            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]  d1 M. f% Y+ \
            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。
8 k# ?" w7 Y! s" T9 b            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。, K- W4 Z( |" Q
            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]
) H- X6 r+ `4 |; @. k, F* C2 \: w            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。
) d# {  B% @0 `# B            图源:英伟达            
! {( N9 ?1 C5 }0 K+ n            我们正处在一个“后摩尔时代”,进入一个全新的技术环境。
0 T- Y" z7 ~) X$ i/ h3 O$ G8 e6 V; |            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。) T! U0 \) p) o# [4 @4 V7 ~
            参考资料:/ f% ]+ j% r- C
            《a better way to measure progress in semiconductors》,ieee spectrum7 j; @( \4 @# y+ T
            《Introduction to Microelectronic Fabrication processes》,NPTEL+ H/ |7 x- f5 J+ X* N6 j0 e
            《后FinFET时代的技术演进》,NicEda
- L& N" ^, R$ X9 N9 \2 j            《台积电预测:2023年半导体市场将下滑4%》,中国电子报* u, F& _* X& v5 r1 S
            《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 China1 @0 l4 N9 d$ ^
            Wikichip:3nm
) e/ x+ E* ~% t- C  p  g! v4 P; B3 T: I) C            《只用一周时间,摩尔定律就死了一次又活了回来》,品玩
2 z$ z, @$ F; j% ~6 R0 D. U# V1 _( f9 y" H            《抢跑2nm,是否操之过急?》,半导体产业纵横( b) a4 e: L3 E/ O' A3 u
            《Industry watch: The expensive semiconductor game》,DIGITIMES ASIA+ e6 f- l# G: h' Y( `& N2 L
            《半导体制程,经历了哪些重大的发展节点?》,知乎周报-端点星9 Q* p7 B+ A* _9 ~. l3 r2 P
            《芯片中的“层”,层层全解析》,芯论语
; m# j- s5 N% C" ^            《后FinFET时代的继任者》,半导体产业纵横% }, o, q; ]% F
            《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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