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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。6 [6 S8 ^; a, d: V: v( c( P* S
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。0 r9 `. v; G9 u+ H. V, E* [
众人开心,唯独张忠谋很忧伤。! F& \1 O/ ^; Y* L. ]' |* S$ O& Q$ M
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。”: d3 ^( p" w: l( V- A
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。1 k% s' T5 @ K1 |9 l( e
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:& z& @, A; ^/ V0 x& C1 k/ k1 o& h
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。- p1 w+ R0 E, W/ S- g& N7 g
图源:网络
- n3 b9 I9 z# ^. \3 y 台湾民众听完心稍安了,有网友简单朴素地换算了一下:. P5 K1 m! C8 t% L
∵ 1纳米等于3纳米的三分之一; p9 v& E; ^6 s' N8 k8 y
∴ 台积电的能力是美积电能力的三倍
7 ]" }) L- U% \3 F ∴ 台积电依然是台湾的骄傲4 h) S& S- [9 {
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。
" ?7 a, W& T8 R* @ 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。' |* A6 m8 G& b$ N. B
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?
0 b: _5 [( k2 _4 s/ r 答案是:无。" H$ G) `! l. `# 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。- o5 j$ d- H# g! J# k9 Y
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。- U5 v# \; H5 U0 M! h" R8 u
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。”
7 S5 |9 J# S. H, x9 K% a 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”。8 o2 m4 x; l" I9 d/ ~ v
纳米制程:世纪乌龙
: L E; F3 u6 ~- ^( \" v 定名
. W a5 h+ m' L- a% v4 M 要弄清楚黄汉森会这么说,我们还要回到芯片结构说起:7 M8 L) g/ |6 G/ [7 F% F
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。
7 `! ~0 _2 d/ R( i 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。
+ g$ t1 I) r4 `; K7 `2 w! i; f 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。+ ]3 C7 M: f- S2 T: h
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。# O/ w/ p7 _* H) A$ D$ t5 `# B
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。/ Y& i. N# N. s8 n5 v- C
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。/ h: Y6 R; S# H7 N
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”。( u0 ~2 r; w5 H) m5 O
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。) |8 V# ?: X5 p, ?6 \
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。" a8 X& o4 G8 `: \
但Bug却还是出在了对摩尔定律的崇拜上。
9 c0 S0 y; A# f, n 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) z. q. h/ l" r
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。
! ], [! D& A) } 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。- Q& f. J+ {+ W
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……
6 m; \0 e( \1 m7 Y b# ~1 }- ]8 } 图源:wikichip
$ r. b$ Q9 c/ E _ 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。* ~; b l3 X. h2 |/ |( a
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。
; C+ T9 [; a. 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。
9 E3 e2 H7 X7 }' @+ k$ x7 X 破产# Y) b* H) |0 m
在90年代后,这种耦合就开始走向了破产。[1]
7 B6 _3 }% ~" ]' g7 ]) G 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。% M+ O. U: W2 |4 N4 M
一开始,栅级的缩小自然领先于制程节点:
y- j4 b% W( ~ 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。
$ O0 G% p' k- A6 E& `0 T, w 图源:ieee spectrum[1] % y4 K: y' f- ?
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。) J* u9 G2 C% p: i& f
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。: t6 O, Q# z9 j' A$ \8 G
如图所示,制程命名与栅级宽度的交叉点发生在2012年。
0 K4 a: T, u" s* X" B7 J6 v ^5 F9 o 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。
9 A$ n! Q& r3 P2 D 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。2 G) }8 R2 ?; Z; Z* C) N i: V
图源:LamResearch
# s; [3 Q8 S) h m( r/ J 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。; M% t2 V# z: z8 B$ [
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。8 m; h5 {+ C$ C7 r% Y- S& T& {
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]。3 M7 T: N4 X- h2 n2 V. ]9 z9 s
GAA(全环绕栅级)被认为是下一代的技术路线。; J" j$ O6 b3 L7 t' h/ p
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]。
. |3 m) E, V5 c+ H3 h, c7 n 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' i! N' N* g; Z6 z- G 图源:东京电子 % v7 q9 d, F; R8 U* p
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。
( a* O- O h- G4 F2 z 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。
! b: ]6 c" _7 u [ 于是我们就出现了一个悖论:$ T# I: K* a. L% Z- s% Y
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。
U- y h# s U& y( S 摩尔定律在嘲讽摩尔定律。$ E9 k+ G$ o% n/ L
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。& P! L* u% x; R/ U# t
图源:台积电官网异化
9 {8 y, I# q' s/ R4 W0 \ 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。
( Z- v5 e, K3 i7 y/ X* B, K( _ 如果一定要牵扯上什么关系的话,那也只能是:& w. b, c" Q/ m8 E: v+ r; 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 d3 o) X1 i0 e+ g2 e( h 这大概要等到上帝把宇宙的代码开源以后了。4 W. T! {( ?+ \# F- B
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。
* g0 w v3 {: J" A 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 [3 f2 N, |6 a# i+ B5 L
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。
) \2 j n& j# c 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:1 z! {, @4 G/ h4 n% @
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。
0 H+ V" T2 f H4 Y) f0 t 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]。
/ @" Z7 b8 y" Q" l 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。 z; x$ {$ b# @! N! t/ ^- C
图源:同名不同姓,参数差了一代|图源:EDN China[5] ! `$ [0 g3 {5 X1 B+ `
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。
0 a3 H3 Z. T3 G1 l1 H: Q$ z7 t 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”。; p% t' u% [6 ~# q! 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:$ m/ L$ f3 F" C( A# B
1.8纳米制程,干脆又被抹零成为了1纳米…. y: V- y! X, G
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。# I& _5 y6 R4 g4 u2 a w
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…' @( z) u6 ^4 d5 ]) d
图源:unsplash后摩尔时代
7 i# e; K8 J& @) x& V( {+ o 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。
2 U% w" j+ r% D2 u% q; y" 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。3 D2 D2 w; {; }
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。 {& T& V$ J9 [) _
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 W5 I! s3 k: x: q7 V% Q- j 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]。3 B, [! B; u1 b: j4 I9 |' K% 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。2 r& m! u0 q. t5 m `
图源:苹果 ; p7 C* x5 N- t, L: O' w5 k6 d
激进的进步姿态对环节各方都有着更高的要求:
+ Z' { o5 `) s/ @5 d/ h 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;* H- ]+ h. C8 n4 o 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;! e) @! a( t# S: z: o0 k
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:
$ T7 @2 @% B' O 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]0 e4 x0 L3 ~0 [2 E& }) p
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。( ~6 A+ O4 a# U" F
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。 I9 a t& q6 @! H
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]
5 j+ f1 X& F9 c6 W' q3 ?7 ^* q 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。: x! @7 H* O7 Z. R& {
图源:英伟达
5 g, }$ m8 r) ~4 r) M! J$ H 我们正处在一个“后摩尔时代”,进入一个全新的技术环境。
$ d( I N6 u7 |5 J3 }. \3 n 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( s7 ~: U7 }/ |# S
参考资料:
& x* U1 u5 j8 |! B& p1 h. X* I- a. I) S 《a better way to measure progress in semiconductors》,ieee spectrum% u0 X& O/ @5 N( p1 G8 D
《Introduction to Microelectronic Fabrication processes》,NPTEL% i- _; L" C* ^1 t) a) W
《后FinFET时代的技术演进》,NicEda
( m5 R1 _" j$ _9 C 《台积电预测:2023年半导体市场将下滑4%》,中国电子报
1 g' x+ q2 x0 H1 ]* n5 Y2 ] 《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 [3 ^. Z: n) i& B
Wikichip:3nm0 v# h. {. m/ E. @& ` R4 ?
《只用一周时间,摩尔定律就死了一次又活了回来》,品玩4 O5 j/ z6 R* y9 [0 v
《抢跑2nm,是否操之过急?》,半导体产业纵横) ~0 ], e" x7 L( q
《Industry watch: The expensive semiconductor game》,DIGITIMES ASIA
1 M- k' b5 D8 ? 《半导体制程,经历了哪些重大的发展节点?》,知乎周报-端点星4 f5 z4 X1 x. ~+ a0 h
《芯片中的“层”,层层全解析》,芯论语
* h S7 ^/ m% I1 m 《后FinFET时代的继任者》,半导体产业纵横5 o/ @/ w! `6 {
《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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