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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。
$ G1 ~4 U% M f- n' @9 T 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 S& ~# q1 z; |! l+ r
众人开心,唯独张忠谋很忧伤。. i' s$ o5 d1 ?6 x1 | K" w& R
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。”
3 X$ D+ V& l- a$ D: E/ K2 T- L/ 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。2 ^- f& q% ]1 ~9 b y
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:3 Y* V0 K% K' k# _: h+ b e& q
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。
! M& h$ M7 W. _' `. k 图源:网络 & f& s$ ^# @9 o5 @# z9 C. D
台湾民众听完心稍安了,有网友简单朴素地换算了一下:
2 @6 p5 q0 R3 E: H7 v2 l ∵ 1纳米等于3纳米的三分之一6 w( T+ ~7 u1 J9 X
∴ 台积电的能力是美积电能力的三倍
6 o9 } w( f5 h. c# n; ^ ∴ 台积电依然是台湾的骄傲# D: H3 c/ {( 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。) c7 _0 D( P; P2 k1 {5 v5 T& G- x) |
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。! o, q. _' |. O, Z6 L* c$ U
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?
# [9 ]# M. x4 X u* X0 O' s, w( ` 答案是:无。
1 w; [; e. C5 F; 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。
$ ^/ s- C) e' x' S, Q' {4 Q% [7 H 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。9 B8 ~: o: X3 H5 b
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。”
9 r$ _% y$ e3 E( M2 F4 A4 K4 h 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, [+ T; _/ R. o. [
纳米制程:世纪乌龙
4 N/ i9 E: t" K* a# j 定名
7 b7 |: s3 b: ?" u2 I3 Y 要弄清楚黄汉森会这么说,我们还要回到芯片结构说起:
. z) l! V" r. O( w H0 [' u 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。4 b7 U( m4 n1 s8 q* Q
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。
# Z2 w a% Z2 ]2 P/ P 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。( `! B6 i2 N* H7 l. K
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。/ ~" d$ v$ o/ r2 G! H" m, v
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。
5 j- [) g$ n% Y7 ?8 q) O! u+ N 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。
/ D- j( ?' O' h/ U( g. r- R9 r7 y 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”。
! J4 f& e' F 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。% t+ A9 w: O2 X4 z5 s
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。' G& N& m- c% @/ I) H
但Bug却还是出在了对摩尔定律的崇拜上。
/ N' y( M& e( N) G& S7 ~# { 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……5 K! g" {9 ?! f( J6 Q+ i" N: z; V
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。
7 n, U8 C* V6 P& c E% y 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。6 _+ W9 B- U! u( v T
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……+ E5 J" Z; L/ Q% |" z
图源:wikichip 7 i: t6 P; n7 v3 _ m
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。* s1 h4 k' n/ n3 L
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。
% Q8 ?* @+ i) ^6 B6 T& ]- R9 X% X8 i 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。1 B( k- N1 ^7 }7 Q5 z) g
破产
$ q0 \ m& M0 z5 l 在90年代后,这种耦合就开始走向了破产。[1]
# u0 O/ f5 Q1 m 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。
( d* k) e) h9 F. {5 T 一开始,栅级的缩小自然领先于制程节点:0 F, C& ~& U/ @
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。6 b. R h& I; V
图源:ieee spectrum[1]
4 Q6 ?9 a M! c+ @. @* j2 p% y6 k 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。; \6 B' L6 G0 Z
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。
$ q- M( }9 V5 K; U5 V2 n3 h" i 如图所示,制程命名与栅级宽度的交叉点发生在2012年。
2 s+ p% @; s. x" K5 ?& z 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。) a7 R: k3 g7 A/ e2 a
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 F0 _& U9 h' R
图源:LamResearch
# k) v, s F" r7 w 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。
5 @3 m( }. u& C5 f0 | 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。9 I) {/ X; d- w$ 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]。! R( g& M: @! {" }( X% u
GAA(全环绕栅级)被认为是下一代的技术路线。
) ]3 W" a% x. l 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]。
: h- y& m$ \5 U2 C& _0 f# X: X 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]。
" |5 W$ e3 w: i+ A 图源:东京电子 ) G j2 D& Y. u0 e
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。
: E Q( I: t8 {! A8 k. U* 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。: T9 V" `" i. o
于是我们就出现了一个悖论:
; Y# A; z* _* a& T/ d 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。. D j- _; ]2 [# S; p
摩尔定律在嘲讽摩尔定律。
5 {" J. n- E5 {! x! R' 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。
5 Q4 b6 o A' X! B3 H 图源:台积电官网异化
! Z: }9 a; b5 _ Q4 ~6 b3 o 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。 L5 E& g2 X5 p9 o% K
如果一定要牵扯上什么关系的话,那也只能是:; ]6 m9 H z1 P# d( w7 U
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。
; J3 H8 E+ Z: w- X/ J; M8 ` R( B 这大概要等到上帝把宇宙的代码开源以后了。
5 D( q3 \* W9 W' ^ 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。
/ t2 b5 ]2 C% e# S% b: ^ 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。
9 _3 K0 @3 y2 l" B' ` 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。
! a' E; u) h( D% F9 I1 v 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:0 X8 E8 }' d% B7 z! H# ?0 d
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。; f+ z O7 a* E, N) B) ]! 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]。. n' f' ], F7 j* _: p
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。$ c0 p. K' e; j
图源:同名不同姓,参数差了一代|图源:EDN China[5]
; e, h! M4 s; r8 V 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。
/ o. M: ]0 b( a9 I. B 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”。1 h/ I3 c+ ~% {% R
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:
) h) w4 L. b8 h 1.8纳米制程,干脆又被抹零成为了1纳米…
d# R& a7 Q2 d& g. W# v 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。' _ ?; y; K0 A7 E, F3 o+ R0 R0 R
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…; T+ B; f' s$ d# N3 C9 o, J4 z7 e
图源:unsplash后摩尔时代
- v4 R1 t# y2 M: {( n6 v1 T 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。- f6 y& x3 W" L+ D! @
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。
7 v6 d" Q$ b5 A4 M2 }" Z' K 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。
+ H n* T- O' L8 n9 A i' l 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。" G, A( m' u) v4 F7 K
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 A: E! r- S( l) D3 f+ p
晶体管结构越做越复杂,核心越来越多,芯片大小越做越大。
" K/ B; ]; J+ b" E 图源:苹果
7 t3 ^8 ~) c/ s 激进的进步姿态对环节各方都有着更高的要求:. l0 X% Y0 M8 K
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. ]+ `& T: X- 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;! |7 b8 u1 @8 \* P+ G/ E
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:. E6 w$ a: m9 c9 b% _5 q8 a
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]
Q6 y$ j# J) v2 {% j9 ]. S 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 o! W& K+ s- N" Q 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。
/ z* T; m- t; n ^, e( }$ 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]/ U' r% Y( f& S0 d
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。6 z3 v P: Q+ [4 V, U, Z! y9 J
图源:英伟达 # g4 h2 z. S: T
我们正处在一个“后摩尔时代”,进入一个全新的技术环境。
- }& S0 b8 t& J: ` 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。
, I2 c& c; M8 N) \5 {3 ~) B 参考资料:# ^( B( H% K7 U9 t* i
《a better way to measure progress in semiconductors》,ieee spectrum1 G( L4 t' [2 x9 X. W# x$ L1 a$ L
《Introduction to Microelectronic Fabrication processes》,NPTEL/ b/ [" P3 _. s7 r5 M3 B) g$ |
《后FinFET时代的技术演进》,NicEda* b h. z7 v0 D+ A5 d6 z: {+ n
《台积电预测:2023年半导体市场将下滑4%》,中国电子报9 \. \: T4 n+ ]3 Q; @
《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
) M5 {% M0 L1 I+ Q2 U: P* |" S" B Wikichip:3nm
9 h# k% m# L D+ {; I 《只用一周时间,摩尔定律就死了一次又活了回来》,品玩
0 e. R; Y+ G9 w# r' k" ?: V" B 《抢跑2nm,是否操之过急?》,半导体产业纵横6 y- _ R5 @6 ^) E: o' @1 e
《Industry watch: The expensive semiconductor game》,DIGITIMES ASIA( x A# _/ K% D9 k8 a3 I
《半导体制程,经历了哪些重大的发展节点?》,知乎周报-端点星
2 _- n- p+ u& l. ` 《芯片中的“层”,层层全解析》,芯论语1 H2 o% J$ G1 u. R4 O
《后FinFET时代的继任者》,半导体产业纵横* i; v. ]! Z% N) ~+ s& R
《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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