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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。! A+ g3 ^8 B( n/ X: L
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。: ?# H3 i# V" Z& x/ `" R/ S
众人开心,唯独张忠谋很忧伤。
% S0 l- t/ H9 i* p 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。”
2 ?' N# N0 J5 g0 j/ M) d7 o 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。0 @$ Q2 k6 F" L2 e6 u2 _& I6 o) v9 {
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: I7 \: \( s5 w$ B
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。
8 C6 ?; x6 Q! @ 图源:网络 ' ~, m! I4 M& d9 Z: D7 \& `7 q
台湾民众听完心稍安了,有网友简单朴素地换算了一下:( x* {: T( `& B3 j h1 z$ l" Z
∵ 1纳米等于3纳米的三分之一( V% F1 }1 ~* P+ [' r4 V+ J) n
∴ 台积电的能力是美积电能力的三倍
5 q) i/ e% |- W; V# q7 W ∴ 台积电依然是台湾的骄傲
& i0 Q4 m3 e5 S5 ~) A 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。! J9 X! W. f: u \9 x( B
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。
$ `3 S- ^* \( I9 Q! U! y1 B+ Z 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?
; G) H5 R9 n" N3 ] 答案是:无。
: i4 x, L1 ^9 M$ r( ]& X$ @ 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。' l9 q) L- i, T, P4 J$ y# F9 n& q0 [
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。
( i" t0 [* O0 z$ x, 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。”% t" p" h# m7 a( s7 f
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”。' m- m: G& M* Y( Y0 v9 ?/ D
纳米制程:世纪乌龙. Y# q0 T6 l, t" I
定名7 @; v+ p4 O) i- s( S8 n. Z! `+ k& C% m
要弄清楚黄汉森会这么说,我们还要回到芯片结构说起:' i; k9 c; L" ]5 T
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。, b/ m- J9 _4 q" Y4 _
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。+ Z- m7 E$ U0 s* D- g5 L: I
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。
4 b3 _( x1 s+ o. _3 t 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。8 s6 \& J) }- X0 p; S9 B$ e: ?7 j
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。
9 l" f, {4 k: Z% k' T' } 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。
3 x6 f% ?+ O* U1 z 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”。
$ f/ T$ {' T8 s, |. o0 M- F 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。
6 l) A# M" t' G$ d; ^$ b 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。
8 l% B% w1 }0 S s 但Bug却还是出在了对摩尔定律的崇拜上。) z1 ~9 G2 Z. n6 i. u
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……
' `( v) F- }) Y2 w, k2 v: c1 A' K 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。0 f# t7 h$ l9 Q. Y' L' Q1 }3 ?
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。. }' `. k4 g/ X p0 B, r$ {0 _, h
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……
1 C4 S6 J/ U6 j0 t" M3 N6 ?; a9 _# c 图源:wikichip
+ f8 |7 f- C$ {( M3 A 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。
* K& f8 G+ L6 z3 p 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。
. }; t G9 l& M3 a4 a$ ~ 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。
2 [$ k- G% o7 V+ E% b" ~ 破产
* y4 V4 _/ l0 }& @2 G4 a 在90年代后,这种耦合就开始走向了破产。[1]7 B4 {/ m. I, T% l% 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。
" t. o) C2 _5 C! U- g: ]# J 一开始,栅级的缩小自然领先于制程节点:
1 }" |4 t8 D0 }% _ 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。) t! E# c# l: i+ |% I Z3 c& F3 p
图源:ieee spectrum[1] 6 o3 U N% F2 x* w) w/ B" c
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。
, o+ a. O4 J" F" [( B 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。0 h+ L6 D, C# C" h7 {# W5 ?
如图所示,制程命名与栅级宽度的交叉点发生在2012年。
$ A& T3 {$ X/ l( @; M5 Y# w 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。- y ?) ^- c$ S0 l$ W3 `
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。: W$ N" Z4 U, D/ W& _7 t( k$ j
图源:LamResearch : D- M8 S" i9 O: R
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。
\* L9 h+ G; [8 X0 X( ~ 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。
% Z, K$ \5 r9 V' R# c 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]。
4 g' m6 M! A1 a4 \) o# y4 J GAA(全环绕栅级)被认为是下一代的技术路线。
1 [8 Y) r+ B) E 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]。
- C: [# f& h0 b' U 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]。! Q/ k/ V6 a/ [2 `1 O$ w
图源:东京电子
9 V2 |- @9 |) L% f3 s4 x 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。
4 P+ M/ v' i& x3 h6 v' g, S2 m 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。: `4 s+ n* ?2 C7 b5 ]% a& J6 S
于是我们就出现了一个悖论:+ J4 w" L6 O9 A0 H" z3 k/ c
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。. s1 w& _9 D; W/ Y$ l; P
摩尔定律在嘲讽摩尔定律。
+ p6 [+ ^; M3 \1 t" Z" n; b 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。# M1 d! m Z( d7 i; o& _& x
图源:台积电官网异化
V8 f) d/ F7 m1 K, O7 d" `& h- L2 A 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。2 d$ y) p" u$ ~) u Q. \, g( r
如果一定要牵扯上什么关系的话,那也只能是:; f8 b# n, y8 \& D
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。- O4 o0 ]" C9 _0 H( o
这大概要等到上帝把宇宙的代码开源以后了。
1 D$ g; q/ g4 ?3 H9 ?) i2 }- Q 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。# w3 ^ `7 c& p* s! @2 i- t
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。
5 N) v5 X, ?5 q1 d3 ` 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。( Y: Z7 ?* j9 M0 q, E' ^0 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:9 P5 }/ }% Y1 B& O% S% F' ^
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。
3 k9 _+ X/ `" Z: j3 X 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]。
; l/ w/ y0 Q$ z, N* n2 [6 f 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。
* \- f8 A3 V$ @3 n5 K+ _( @) V5 b 图源:同名不同姓,参数差了一代|图源:EDN China[5] . }# R5 m1 C# d' p
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。
/ @, Z/ H" y. A5 N* h8 f! f5 n 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”。. \3 S' o& | m6 i) m
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: P! s% r4 D% ?2 o" x& ~
1.8纳米制程,干脆又被抹零成为了1纳米…, ]) s" ~+ L! ?
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。' D- O! x6 Y) I* h+ g% s
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 L/ s# \6 c% W
图源:unsplash后摩尔时代
, l* b3 o8 Y0 I% ? 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。# d, H! y! q3 X2 ?- ^. G
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。
8 @7 A! Y1 P! a, v V9 s' h6 u 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。
7 [: S. k! l) C; k6 \+ J/ M+ I& [! U 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 \; R2 g/ D' z8 i! C( ]! R 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]。8 Z5 `( I$ x$ E+ E- O" M
晶体管结构越做越复杂,核心越来越多,芯片大小越做越大。
8 T1 A9 ~: I# H0 ]5 k) { 图源:苹果
% p4 @ ~, q8 p' F9 }: o+ j2 E 激进的进步姿态对环节各方都有着更高的要求:2 w, }. M O) \! t' }" |
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;; U3 h5 [( d3 Y" [3 z% n Q% q; X* M
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;
g( {# D* f9 d! T( ~ 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:! `/ W: H9 B- `6 N' }3 H
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]
3 W% f$ s+ ~. ?9 w/ s; f" Y G 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。$ [/ N. o0 L) @2 c) z$ t/ O9 |' O
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。
) ?& |# L3 c: J0 J- s2 p 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]
1 M. a$ H& b. x* G$ F 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。. R' e+ p! I* m- w0 n
图源:英伟达 + N9 J0 V$ S' T0 h
我们正处在一个“后摩尔时代”,进入一个全新的技术环境。
V8 j% T: W4 |$ D2 o7 s+ K* U 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。
D- M9 i# N o+ h9 i8 ^ 参考资料:! B, V3 v. A$ f9 |
《a better way to measure progress in semiconductors》,ieee spectrum
1 `7 J1 f& {* c" v 《Introduction to Microelectronic Fabrication processes》,NPTEL
. L& m. X: J' L 《后FinFET时代的技术演进》,NicEda
8 t. u) a3 b# T, p8 e# a 《台积电预测:2023年半导体市场将下滑4%》,中国电子报
5 S" A/ U/ p4 c, @2 I, u1 l* w 《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 China
% m/ h+ R5 W- c1 { Wikichip:3nm
/ D; h5 ]) F7 U; m6 @$ S! \ 《只用一周时间,摩尔定律就死了一次又活了回来》,品玩
0 ~* v: q! r# P \% U& z- o: x 《抢跑2nm,是否操之过急?》,半导体产业纵横1 {6 w$ D# F- A# w* L, u/ ]" S
《Industry watch: The expensive semiconductor game》,DIGITIMES ASIA7 _3 t3 R/ B5 t
《半导体制程,经历了哪些重大的发展节点?》,知乎周报-端点星6 I+ `- ]9 j: G+ v
《芯片中的“层”,层层全解析》,芯论语* i3 f2 b# S6 ], q1 J+ I$ o
《后FinFET时代的继任者》,半导体产业纵横) Y1 K. X+ B6 [
《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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