剖析半導(dǎo)體工藝制程節(jié)點(diǎn) 摩爾定律很重要

最近，我們耳聞了關(guān)于摩爾定律的許多討論。不幸的是，其中大部分觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。有人說，摩爾定律不再重要了，并認(rèn)為它純粹是一個(gè)技術(shù)問題，或者只是幾家巨頭間的競(jìng)賽。還有人說，除了某幾個(gè)特定領(lǐng)域，遵循摩爾定律已讓成本太過高昂。更有人說，摩爾定律已死。真相究竟是什么?讓我們來厘清事實(shí)。

摩爾定律并未終結(jié)

首先，摩爾定律至關(guān)重要。

摩爾定律使計(jì)算得以普及。它是一個(gè)非常強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)學(xué)定律：按照特定節(jié)奏推動(dòng)半導(dǎo)體制造能力的進(jìn)步，我們就可以降低任何依賴于計(jì)算的商業(yè)模式的成本。想象一下，如果其它行業(yè)以摩爾定律的速度進(jìn)行創(chuàng)新——性能每?jī)赡攴环?，那?huì)發(fā)生什么?汽車能效：現(xiàn)在只需一加侖汽油，即可行駛相當(dāng)于地球和太陽之間的距離;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力：現(xiàn)在只用一平方公里土地，即可養(yǎng)活全部地球人;太空旅行：速度現(xiàn)在可以提升至300倍光速。

歸根結(jié)底，這些經(jīng)濟(jì)效益使摩爾定律成為全球經(jīng)濟(jì)的根本動(dòng)力，使人們能夠相互連接、進(jìn)行娛樂和學(xué)習(xí)。通過逐年提升計(jì)算力，世界各地的創(chuàng)新者可以多快好省地利用計(jì)算演進(jìn)周期來解決全球范圍內(nèi)的重大問題，從而讓生活更美好。

其次，在當(dāng)今世界，僅有幾家公司有能力實(shí)現(xiàn)摩爾定律的效益。

逐一實(shí)現(xiàn)全新的制程節(jié)點(diǎn)變得愈加困難，成本也更加昂貴。僅僅是把設(shè)備安裝到已有晶圓廠中，就要花費(fèi)70億美元。這也意味著半導(dǎo)體制造業(yè)將繼續(xù)整合，因?yàn)樵絹碓缴俚墓灸艹袚?dān)得起推進(jìn)摩爾定律的成本。英特爾每年都讓產(chǎn)品價(jià)格更低、性能更強(qiáng)。推進(jìn)摩爾定律的能力是我們的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

第三，摩爾定律帶來的不是一場(chǎng)競(jìng)賽。

在整個(gè)產(chǎn)業(yè)界確立高標(biāo)準(zhǔn)需要不同公司通力協(xié)作，因?yàn)樾g(shù)業(yè)有專攻。英特爾過去、現(xiàn)在與未來都是摩爾定律的引領(lǐng)者。目前，我們?cè)谥瞥碳夹g(shù)上擁有三年左右的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

英特爾的引領(lǐng)地位在新聞報(bào)道中似乎不太顯著。16納米、14納米、10納米、7納米，看起來像是一場(chǎng)賽馬。問題在于，這些制程節(jié)點(diǎn)數(shù)字曾經(jīng)有著真實(shí)的物理意義，但現(xiàn)在已不是那么回事了。我們需要有一個(gè)指標(biāo)來描述某種制程的性能，為芯片設(shè)計(jì)者展現(xiàn)可用的晶體管密度。英特爾制程專家馬博(Mark Bohr)在我們第一屆“技術(shù)與制造日”活動(dòng)中就描述了這樣一個(gè)指標(biāo)。

這給我們提出了一個(gè)大疑問：摩爾定律是否會(huì)終結(jié)?我們已經(jīng)看到，摩爾定律不會(huì)因?yàn)闊o用而結(jié)束，它的進(jìn)步也不會(huì)因?yàn)榻?jīng)濟(jì)效益不足而受阻。但物理學(xué)方面呢?摩爾定律是否會(huì)導(dǎo)致晶體管最終比原子還小?

誠(chéng)然，有一天我們可能會(huì)達(dá)到物理極限，但目前還看不到終點(diǎn)。記得在1990年，當(dāng)晶圓上的晶體管大小達(dá)到用以印刷它們的光的波長(zhǎng)(193納米)時(shí)，物理學(xué)界明確指出：我們不能再向前推進(jìn)了。

但是我們突破了那個(gè)挑戰(zhàn)：我們使用掩模圖形產(chǎn)生的干涉光柵進(jìn)行印刷，開發(fā)了計(jì)算型光刻技術(shù)和多重曝光?；叵肫饋?，193納米甚至稱不上是減速帶，我們目前的制程比當(dāng)時(shí)還要小20倍。這得益于我們持續(xù)的創(chuàng)新。比如目前在14納米制程中使用的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)和超微縮技術(shù)(hyper scaling)。升級(jí)版的超微縮技術(shù)已應(yīng)用在我們即將量產(chǎn)的10納米制程，而得益于這一新的工藝突破，我們可以維持每百萬晶體管的成本不變。

這一切是如何實(shí)現(xiàn)的?一如既往，英特爾通過發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)所在，各個(gè)擊破解決問題，不斷突破各種障礙。最近，我們又迎來必須盡快突破的一個(gè)具體挑戰(zhàn)，那就是7納米制程。進(jìn)而我們發(fā)現(xiàn)，這些挑戰(zhàn)可能有多種備選解決方案。我們努力嘗試所有可能方案，直到找到一個(gè)最有效的方法。英特爾一直要求自己前瞻三代制程，這意味著要提前看到7到9年后的技術(shù)。目前，我們已著眼7納米和5納米制程。我們可能還無法確切知道哪種方案最適合5納米，但在這些挑戰(zhàn)中，英特爾矢志創(chuàng)新，生生不息。

我們對(duì)未來的信心不只限于制程研發(fā)，也包括我們獨(dú)一無二的設(shè)計(jì)和制造的整合優(yōu)勢(shì)，這讓我們?cè)趶?fù)雜的情況下加速創(chuàng)新發(fā)展，為客戶持續(xù)提供領(lǐng)先的產(chǎn)品。

所以，摩爾定律在任何可預(yù)見的未來都不會(huì)終結(jié)。我們將繼續(xù)把新的制程工藝投入生產(chǎn)，并做好準(zhǔn)備迎接不斷增長(zhǎng)的代工業(yè)務(wù)。事實(shí)上，英特爾還推出了一項(xiàng)新的代工服務(wù)：超低功耗22納米FinFET制程(22FFL)。我們一直在進(jìn)步，英特爾作為行業(yè)和技術(shù)的引領(lǐng)者，將在改進(jìn)人們的生活方面繼續(xù)發(fā)揮重要作用。

制程節(jié)點(diǎn)命名的規(guī)則

英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾在半世紀(jì)前提出的摩爾定律，是指每代制程技術(shù)都要讓芯片上的晶體管數(shù)量翻一番?？v觀芯片創(chuàng)新歷史，業(yè)界一直遵循這一定律，并按前一代制程的0.7倍對(duì)新制程節(jié)點(diǎn)命名，這種線性升級(jí)正好帶來晶體管集成密度翻番。因此，出現(xiàn)了90納米、65納米、45納米、32納米——每一代制程節(jié)點(diǎn)都能在給定面積上，容納比前一代多一倍的晶體管。

但是最近，也許是因?yàn)檫M(jìn)一步的制程升級(jí)越來越難，一些公司背離了摩爾定律的法則。即使晶體管密度增加很少，或者根本沒有增加，但他們?nèi)岳^續(xù)推進(jìn)采用新一代制程節(jié)點(diǎn)命名。結(jié)果導(dǎo)致制程節(jié)點(diǎn)名稱根本無法正確體現(xiàn)這個(gè)制程位于摩爾定律曲線的哪個(gè)位置。

行業(yè)亟需一種標(biāo)準(zhǔn)化的晶體管密度指標(biāo)，以便各個(gè)廠商公平競(jìng)爭(zhēng)?？蛻魬?yīng)能夠隨時(shí)比較芯片制造商不同制程的產(chǎn)品，以及不同芯片制造商的同代產(chǎn)品。挑戰(zhàn)在于，半導(dǎo)體制程以及各種設(shè)計(jì)日益復(fù)雜。

一種簡(jiǎn)單的指標(biāo)就是用柵極距(柵極寬度再加上晶體管柵極之間的間距)乘以最小金屬距(互連線寬度加上線間距)，但是這并不包含邏輯單元設(shè)計(jì)，而邏輯單元設(shè)計(jì)才會(huì)影響真正的晶體管密度。另一種指標(biāo)——柵極距乘以邏輯單元高度——是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(biāo)，都沒有充分考慮到一些二階設(shè)計(jì)規(guī)則。它們都不能真正衡量實(shí)際實(shí)現(xiàn)的晶體管密度，因?yàn)樗鼈兌紱]有試圖說明設(shè)計(jì)庫中不同類型的邏輯單元。此外，這些指標(biāo)量化了比較上一代的相對(duì)密度，而真正需要的是給定面積(每平方毫米)內(nèi)的晶體管絕對(duì)數(shù)量。在另一種極端條件下，用一個(gè)芯片的晶體管總數(shù)除以面積毫無意義，因?yàn)榇罅吭O(shè)計(jì)決策都會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響——例如緩存大小和性能目標(biāo)等因素，都會(huì)導(dǎo)致這個(gè)值發(fā)生巨大變化。是時(shí)候讓我們重新啟用曾經(jīng)流行但一度“失寵”的一個(gè)指標(biāo)了，它基于標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元的晶體管密度，并包含決定典型設(shè)計(jì)的權(quán)重因素。盡管任何設(shè)計(jì)庫中都有各種標(biāo)準(zhǔn)單元，但是我們可以拿出一個(gè)普及的、非常簡(jiǎn)單的單元——2輸入 NAND單元(4個(gè)晶體管)，以及一個(gè)更為復(fù)雜、但也非常常見的單元：掃描觸發(fā)器(SFF)。這能夠推導(dǎo)出之前接受的晶體管密度測(cè)量公式。

(權(quán)重0.6和0.4反映一個(gè)典型設(shè)計(jì)中非常小和非常大的單元的比率)

每個(gè)芯片制造商在提到制程節(jié)點(diǎn)時(shí)，都應(yīng)披露用這個(gè)簡(jiǎn)單公式所測(cè)算出的MTr/mm2 (每平方毫米晶體管數(shù)量(單位：百萬))單位中邏輯晶體管密度。逆向工程公司可隨時(shí)驗(yàn)證這個(gè)數(shù)據(jù)。

還缺失一個(gè)重要的指標(biāo)：SRAM單元尺寸。由于不同的芯片中有各種SRAM到邏輯比率，最好在NAND+SFF密度指標(biāo)旁邊，分別標(biāo)注SRAM單元尺寸。

通過這些指標(biāo)，我們可以撥開迷霧，厘清制程節(jié)點(diǎn)命名的混亂狀況，從而專心致志推動(dòng)摩爾定律向前發(fā)展。