芯片大厂们的制程“撒谎”史

荳丁_ · 发表于 2023-2-1 13:50:23

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。
         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。
         众人开心，唯独张忠谋很忧伤。
         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。”
         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。
         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：
         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。
         图源：网络
         台湾民众听完心稍安了，有网友简单朴素地换算了一下：
         ∵ 1纳米等于3纳米的三分之一
         ∴ 台积电的能力是美积电能力的三倍
         ∴ 台积电依然是台湾的骄傲
         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。
         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。
         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？
         答案是：无。
         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。
         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。
         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。”
         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”。
         纳米制程：世纪乌龙
         定名
         要弄清楚黄汉森会这么说，我们还要回到芯片结构说起：
         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。
         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。
         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。
         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。
         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。
         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。
         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”。
         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。
         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。
         但Bug却还是出在了对摩尔定律的崇拜上。
         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……
         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。
         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。
         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……
         图源：wikichip
         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。
         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。
         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。
         破产
         在90年代后，这种耦合就开始走向了破产。[1]
         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。
         一开始，栅级的缩小自然领先于制程节点：
         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。
         图源：ieee spectrum[1]
         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。
         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。
         如图所示，制程命名与栅级宽度的交叉点发生在2012年。
         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。
         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。
         图源：LamResearch
         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。
         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。
         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]。
         GAA（全环绕栅级）被认为是下一代的技术路线。
         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]。
         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]。
         图源：东京电子
         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。
         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。
         于是我们就出现了一个悖论：
         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。
         摩尔定律在嘲讽摩尔定律。
         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。
         图源：台积电官网异化
         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。
         如果一定要牵扯上什么关系的话，那也只能是：
         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。
         这大概要等到上帝把宇宙的代码开源以后了。
         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。
         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。
         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。
         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：
         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。
         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]。
         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。
         图源：同名不同姓，参数差了一代|图源:EDN China[5]
         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。
         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”。
         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：
         1.8纳米制程，干脆又被抹零成为了1纳米…
         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。
         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…
         图源：unsplash后摩尔时代
         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。
         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。
         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。
         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。
         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]。
         晶体管结构越做越复杂，核心越来越多，芯片大小越做越大。
         图源：苹果
         激进的进步姿态对环节各方都有着更高的要求：
         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；
         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；
         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：
         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]
         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。
         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。
         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]
         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。
         图源：英伟达
         我们正处在一个“后摩尔时代”，进入一个全新的技术环境。
         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。
         参考资料：
         《a better way to measure progress in semiconductors》，ieee spectrum
         《Introduction to Microelectronic Fabrication processes》，NPTEL
         《后FinFET时代的技术演进》，NicEda
         《台积电预测：2023年半导体市场将下滑4%》，中国电子报
         《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
         Wikichip：3nm
         《只用一周时间，摩尔定律就死了一次又活了回来》，品玩
         《抢跑2nm，是否操之过急？》，半导体产业纵横
         《Industry watch: The expensive semiconductor game》，DIGITIMES ASIA
         《半导体制程，经历了哪些重大的发展节点？》，知乎周报-端点星
         《芯片中的“层”，层层全解析》，芯论语
         《后FinFET时代的继任者》，半导体产业纵横
         《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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芯片大厂们的制程“撒谎”史

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