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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。
4 q6 A! W g! y 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。! o4 F7 Q; G# E; s3 q1 z
众人开心,唯独张忠谋很忧伤。
- H9 L" v' X+ g- t+ l& D 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。”& ~! Z( l* F" u0 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。( F8 M o k0 g
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:/ p9 |9 c* B8 T n7 m9 F
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。
& n' B0 s9 Q4 O1 v6 N 图源:网络 1 l5 H. I* _; C8 d" K( h
台湾民众听完心稍安了,有网友简单朴素地换算了一下:
2 L- ~: K/ j: J6 x, G ∵ 1纳米等于3纳米的三分之一
1 F3 _0 g. C6 j+ y0 @- c ∴ 台积电的能力是美积电能力的三倍 J7 w2 O% ^' d" `
∴ 台积电依然是台湾的骄傲- Q( {& i: n1 G
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。, f# T; ]$ T+ x* A
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。- [/ F3 h3 \, r3 K7 G8 @. t. d
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?
2 x7 a1 i+ ~0 s 答案是:无。
+ d7 x, v; a! Q5 [. u 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。
; r/ P4 X& w4 K' _, y Z 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。
) e7 X3 Q: b1 ?$ m1 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。”" G( j: W. c/ \
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”。1 Y( n( y6 X) f* k
纳米制程:世纪乌龙
6 Z- z" s* x+ u$ `# M. h, l 定名* t1 C: v1 |; ^- R2 S
要弄清楚黄汉森会这么说,我们还要回到芯片结构说起:. u" z3 |; D1 W( c- c9 @
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。
6 Z; w, ?4 b; t" H: _ 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。& x6 c" O' Z; y/ t
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。
/ Q; j3 d9 q* ~+ @ 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。 }5 {2 {/ @& ^' m
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。: X- ]; @2 z" o) v: D) r6 I, F6 R
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。
( C8 a, U- X6 l% ~. q. z' f% 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”。( v4 h) v' }6 E* `, u0 k0 x' Y7 \, V
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。
k" D, s/ |# b1 Z) {# 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。
6 e, e4 r) N+ S3 ?* s2 e: v 但Bug却还是出在了对摩尔定律的崇拜上。
# v! \ p) r. B 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……+ F+ L" [/ p" {# Q" Y+ \9 G
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。
; t8 L% {+ o2 G) q8 }/ ` 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。. u! c3 d* N2 R! s* x9 F: K
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……
$ K. e/ s% }$ A( x' Q, J1 E 图源:wikichip
/ v: {- A1 [# w% N 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。: y9 P8 _2 A* V% M
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。& ?1 {! R( h: D3 N# ?" H& t
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 {# [" D2 M7 y: t
破产, @1 t4 v7 i: x l
在90年代后,这种耦合就开始走向了破产。[1]( p; _7 ]) L8 {. @" x
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。
& K6 C; n0 h/ u2 a$ @; W S* V 一开始,栅级的缩小自然领先于制程节点:/ n5 K9 C. [$ z% b. y
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。
1 n0 J1 |0 V% X3 V 图源:ieee spectrum[1]
8 N2 Z9 Y' q$ q+ X 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。
' `# }" [5 L$ 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。! j2 h* L# |7 W& |, J
如图所示,制程命名与栅级宽度的交叉点发生在2012年。 G3 R2 T* F0 N+ b. d# j; e) {( ? Y
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。3 C5 U& |' Z1 C: P" `5 v: ]) o+ K
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。% F1 P) p# [5 l# M& d) i
图源:LamResearch 6 P. U" X4 b: d9 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。
% f* w8 N( |# i! H' {2 {7 @& g8 D 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。
O% ?* o- N2 ?- a7 c0 r$ T! o5 D; v 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]。- N# Z) ^5 J$ z5 X4 V
GAA(全环绕栅级)被认为是下一代的技术路线。" w+ J( j7 j8 @. i
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]。
0 ^! z- |* F) _8 ~6 E9 g 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- ]# j d( u+ f
图源:东京电子 . H4 c: a5 n' Q6 q
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。8 i: o! O5 b: [) B+ t3 ?
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。
- E) }! ?* [# e 于是我们就出现了一个悖论:+ u0 G0 }# I" T R9 _; a! P
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。$ h- a( v) C# f, U2 H! Y3 p
摩尔定律在嘲讽摩尔定律。" g, p+ O! h6 R) a/ t6 M
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。
4 k' h4 i: v9 R 图源:台积电官网异化 ' k! o: d1 A# t" K! y, e* Z# u
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。 ^8 Y1 V/ H" f* O% J3 R1 `
如果一定要牵扯上什么关系的话,那也只能是:- g3 w; k% Y( H, R9 [( x; _2 t: E' ~
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。% {6 n6 g9 X# O; r1 w. f1 {, R: L
这大概要等到上帝把宇宙的代码开源以后了。
, R3 \/ `3 D& @8 P' I 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。
# k4 V3 L$ I* F; W7 E) 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。
. W; `9 l* ]# l+ K, T7 R. 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。
( T- Z$ V4 o$ M1 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:7 Y7 {1 C4 L% W+ W, O
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。
- b: o7 k# i' e0 R' s 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]。
' H3 W- K( w0 N+ w2 N! S 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。% J& R) }- J5 m2 j, S% \
图源:同名不同姓,参数差了一代|图源:EDN China[5]
- n* |1 z# g. m, o2 ^ 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。
. Q" U/ @( i8 h7 F1 E 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”。- |$ @) v4 d: Q9 _/ ]
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:3 L$ W8 t: U `! r7 l7 W. c
1.8纳米制程,干脆又被抹零成为了1纳米…0 C9 g# i0 I+ 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。* r( j3 n7 \/ v# q( G
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…
4 U8 r7 A- }) p S1 ^; H 图源:unsplash后摩尔时代 . {) [, p/ P) F5 L/ I- r
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。
4 E9 t, u9 M5 Y7 T# M4 D) s 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 w( m1 r9 p% C/ B' e* X
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。$ O, W) ~' C8 S* f' z# }0 t3 t3 i0 ~( `
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。. H+ C- N+ a8 p# A
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]。 u$ d3 Z& S( f. z! Z8 u- o( O3 r
晶体管结构越做越复杂,核心越来越多,芯片大小越做越大。
3 M# F5 ?0 b' `% U7 G7 F' ?$ { 图源:苹果 ( [/ e# r& ~, P" }/ ^# @; W- r
激进的进步姿态对环节各方都有着更高的要求:
2 G+ i9 y1 h9 p0 h d 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;- R6 W u( G9 @
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; X" `& x: }+ Z5 J4 s2 ~$ G7 S
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:( Y/ F8 l5 _6 |
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 ]) L6 ~9 A) a% y8 e, t( L" y8 H 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。
3 D( j! m5 _7 J; H3 e5 f' E 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。+ H2 \( `% D w3 E: J; ] X) N$ e* X
有传闻称,台积电3纳米芯片的报价将超过2万美元;5纳米时期的报价还只有1.6万美元,7纳米时不过1万美元。[13]* T7 U0 S! u0 Q) d9 D: N6 m
有多家海外科技媒体报道称,由于晶圆厂的报价实在过于昂贵,高通和联发科甚至不排除会弃用2纳米的芯片制程。$ T; |- c* f0 n/ s) b+ u+ h
图源:英伟达 ( `) R8 j5 W: X7 y" }
我们正处在一个“后摩尔时代”,进入一个全新的技术环境。) }8 k/ b8 J2 I9 ]/ ~& w
从这个角度来说,“纳米”则更像是这个时代的一个“史前传说”,它生动、古老、代表了美好时代的技术品德,但它却很难再回来了。
0 \' x8 ?- k" f. r9 } 参考资料:$ J- Y0 @+ \3 I: ~9 `
《a better way to measure progress in semiconductors》,ieee spectrum& m3 b$ e4 ?" n
《Introduction to Microelectronic Fabrication processes》,NPTEL6 `6 k; _1 K. s$ u
《后FinFET时代的技术演进》,NicEda
) W ~5 r7 ?3 @( m+ h [ 《台积电预测:2023年半导体市场将下滑4%》,中国电子报- @& y& X2 C$ h }: Q
《全球首次亮相10nm工艺,英特尔如何玩转工艺节点的数字游戏》,EDN China; A9 q6 Y9 P E& B K k7 S
Wikichip:3nm
& U* E0 O5 \4 I1 L9 O 《只用一周时间,摩尔定律就死了一次又活了回来》,品玩
s* r5 A' @! \3 c- f- F7 Q 《抢跑2nm,是否操之过急?》,半导体产业纵横
7 ~* [- u6 N0 {) ~3 y) W 《Industry watch: The expensive semiconductor game》,DIGITIMES ASIA- h: M i% f, G; c. z& a, M0 z9 |
《半导体制程,经历了哪些重大的发展节点?》,知乎周报-端点星' l2 W- g; `6 C
《芯片中的“层”,层层全解析》,芯论语6 G8 o/ `( | W' X: _0 O5 c4 }) D
《后FinFET时代的继任者》,半导体产业纵横8 t# F% W9 \) ^: _
《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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