芯片工藝的5nm和7nm是怎么來的？揭開芯片工藝和摩爾定律背后的“秘密”

1：摩爾定律

1965年，硅谷傳奇，仙童“八叛徒”之一，英特爾原首席執(zhí)行官和榮譽(yù)主席，偉大的規(guī)律發(fā)現(xiàn)者戈登·摩爾正在準(zhǔn)備一個(gè)關(guān)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器發(fā)展趨勢(shì)的報(bào)告。

在他開始繪制數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的趨勢(shì)。

每個(gè)新的芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個(gè)芯片產(chǎn)生的時(shí)間都是在前一個(gè)芯片產(chǎn)生后的18~24個(gè)月內(nèi)，如果這個(gè)趨勢(shì)繼續(xù)，計(jì)算能力相對(duì)于時(shí)間周期將呈指數(shù)式的上升。

這個(gè)就是大名鼎鼎的摩爾定律， 其對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展描述，異乎尋常的正確。

總結(jié)來說：

1：集成電路芯片（wafer）上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個(gè)月就翻一番。

2、微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，而價(jià)格下降一半。

3、用一美元所能買到的計(jì)算機(jī)性能，每隔18個(gè)月翻兩番。

你可能覺得摩爾定律平平無奇，只不過是一個(gè)總結(jié)？其實(shí)這可以推導(dǎo)出了一個(gè)公式，那就是每18個(gè)月，在芯片規(guī)模不變的情況下，芯片面積減半。這樣相同的大小的wafer，可以生產(chǎn)出多一倍的芯片。

如果上一代工藝芯片面積是1mm2，在新工藝上，面積就是新工藝的一半，也就是0.5mm2。

我們假設(shè)兩代工藝wafer成本一樣（一般新工藝會(huì)貴一些），那么采用新工藝，其成本是原來工藝成本的一半。

這個(gè)就是摩爾定律揭示的現(xiàn)實(shí)：那就是，采用新工藝的芯片，面積更小，功耗更優(yōu)，頻率更高，成本還更低。

這個(gè)就是新工藝對(duì)老工藝降維式的打擊！

這些優(yōu)點(diǎn)和好處就是驅(qū)動(dòng)芯片工藝不斷進(jìn)步的發(fā)動(dòng)機(jī)。也就是摩爾定律的內(nèi)涵。那如果芯片工藝進(jìn)步，每個(gè)晶體管的尺寸就會(huì)縮小，那到底縮小多少？

如上圖所示，晶體管數(shù)量保持不變的情況下， 下一代新工藝的芯片面積是上一代的一半。

那么X和Y什么關(guān)系。

如果我們按照正方形來計(jì)算的話？

那么新工藝大約是老工藝晶體管尺寸的0.7倍。

也就是晶體管會(huì)縮小0.7倍。

那根據(jù)摩爾定律，我們利用初中數(shù)學(xué)知識(shí)，就能算出每一代工藝的進(jìn)步，從800nm開始（這個(gè)80586的工藝節(jié)點(diǎn)）。

而芯片工藝的發(fā)展也印證了這一點(diǎn)：

從0.8 μ m、0.5 μ m、0.35 μ m、0.25 μ m、0 .18 μm、0.13 μ m、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm，5nm。

實(shí)際的工藝節(jié)點(diǎn)，符合了這個(gè)要求。

摩爾定律和現(xiàn)在芯片制程完全吻合。

神奇！

2：半節(jié)點(diǎn)

可能有些工藝制程知識(shí)的同學(xué)會(huì)說：有點(diǎn)不對(duì)勁，這個(gè)圖里，制程很火的40nm，28nm，14nm跑哪里去了。

對(duì)，這就涉及到一個(gè)芯片制造廠常用的手段。

shrink。

我們都知道，一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)研發(fā)成功后，其研發(fā)成本是很高的。

如果可以在這個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)上持續(xù)優(yōu)化，面積，功耗等等。

也是一種最大化利用原有投入的方式。

就像intel就在14nm上做的一樣。

14nm+++

持續(xù)優(yōu)化。

而我們今天講的shrink，也是一種優(yōu)化。

它本質(zhì)上是利用光照（MASK）等比例縮放后。晶體管尺寸縮小一點(diǎn)，芯片仍然能夠正常工作，從而減少芯片面積，降低成本。

那么shrink的比例是多少？

Shrink 一般可以將晶體管的尺寸縮小0.9倍。

大約每個(gè)邊長縮放為0.9；整體面積縮小0.81；

這個(gè)過程又稱為，芯片收縮(die shrink)。

然而，按比例縮小可能引入新的問題，例如漏電流增大，但是通過工藝參數(shù)可以來調(diào)節(jié)漏電，shrink在不改變工藝特性的基礎(chǔ)上，修修補(bǔ)補(bǔ)，也能挖掘這個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的潛力。

這些shrink后的工藝節(jié)點(diǎn)，也被人稱為半節(jié)點(diǎn)。

例如：

 40nm是45nm shrink后的半節(jié)點(diǎn)。

 28nm是32nm  shrink后的半節(jié)點(diǎn)。

 20nm是22nm shrink后的半節(jié)點(diǎn)。

 14nm也可以看作16nm shrink后的半節(jié)點(diǎn)。

把前面的工藝，乘以0.9就可以了。

DIE shrink是芯片制造廠家來做的，和芯片設(shè)計(jì)公司沒有關(guān)系。

工程師設(shè)計(jì)完成的版圖都是 pre shrink的，而到了廠家生產(chǎn)的時(shí)候，直接進(jìn)行shrink，生成的die的面積比版本等比例縮小。

所以我們現(xiàn)在芯片設(shè)計(jì)工程師，做40nm或者28nm等半節(jié)點(diǎn)工藝時(shí)，都有一個(gè)shrink的流程。

會(huì)發(fā)現(xiàn)，芯片的版圖比實(shí)際的DIE的面積要大。

如果我們計(jì)算最后的DIE（芯片）面積，實(shí)際上要算shrink之后的，而不是版圖的面積。

EDA工具標(biāo)注的都是shrink前（pre shrink）的面積。

那就是設(shè)計(jì)公司給了芯片制造廠一張10X10的設(shè)計(jì)圖紙，而芯片廠生產(chǎn)的尺寸卻是9x9。

具體DIE，WAFER等定義，不熟悉的同學(xué)，可以參見老哥原來寫的的《人類高質(zhì)量芯片工程師的那些“黑話”》

這些優(yōu)化后的，40nm，28nm等等，成為了更成熟和長壽的工藝。

而原有的45nm，32nm等，與優(yōu)化后的40nm，28nm相比，不再具有優(yōu)勢(shì)，廠家不再推這些工藝工藝。

事實(shí)上，業(yè)界通常把45nm/40nm, 32nm/28nm, 22nm/20nm, 16nm/14nm 這些工藝節(jié)點(diǎn)，看作同一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)，是一代，只是廠家通過shrink這種手段，進(jìn)行的優(yōu)化。

加上shrink以后，我們看到目前的28nm，14nm，10nm，7nm，5nm都可以用摩爾定律上一節(jié)的初中數(shù)學(xué)知識(shí)算出來。

嚴(yán)絲合縫，理論和實(shí)際吻合的很好。

戈登.摩爾，真神人也！

3：柵極長度

但是，事實(shí)果真如此嗎？

這些數(shù)字里面隱藏著一個(gè)極大的隱情。

我們來看一張圖：

大約從20世紀(jì)60年代到90年代末，節(jié)點(diǎn)的命名是基于它們的柵極長度命名的。IEEE的此圖表顯示了以下關(guān)系。

柵極長度（gate length）和半節(jié)距（芯片上兩個(gè)相同特征之間的距離的一半）匹配工藝節(jié)點(diǎn)名稱，這個(gè)其實(shí)0.5um，0.35um，0.25um的一些命名的原因。

但是在28nm以下，由于采用finfet這些新的技術(shù)，這些和實(shí)際的節(jié)點(diǎn)和柵極長度，以及半節(jié)距（half-pitch）就匹配不上了

如果保持節(jié)點(diǎn)名稱和實(shí)際特征尺寸同步，就會(huì)如紅線所示。

2015年前，芯片制造的最小工藝尺寸就會(huì)跌破1nm。

而實(shí)際上，廠家暗渡陳倉了，

而實(shí)際上，整個(gè)工藝曲線更接近藍(lán)線所示。

你以為的7nm，5nm，早已不是原來指的柵極長度（gate length），或者（half-pitch）半節(jié)距。

那這個(gè)7nm，5nm怎么來的。

畫大餅來的！

畫大餅，這個(gè)你是不是比較熟。

公司的老板最擅長搞這個(gè)，畫大餅，或者叫畫路線圖（roadmap）。

老板說：未來三年每年增長一倍，今年銷售額1億，10年后就成為銷售千億公司。

關(guān)鍵是，這玩意不能這么算，按照這么算，幾十年后，地球都成為你們公司的，你們銷售額也完不成。

那么芯片制造的大餅，或者（roadmap）是怎么畫出來的？

由于半導(dǎo)體制造涉及巨大的資本支出和大量的長期研究。從論文中引入新技術(shù)方法到大規(guī)模商業(yè)制造的平均時(shí)間約為10-15年。

幾十年前，半導(dǎo)體行業(yè)認(rèn)識(shí)到，如果有一個(gè)節(jié)點(diǎn)介紹的總體路線圖以及這些節(jié)點(diǎn)將針對(duì)的功能尺寸，這將對(duì)參與芯片流程的每個(gè)單位都用導(dǎo)引作用。

也就是說，比如，2025年，我們畫個(gè)大餅要搞1nm，那么，這個(gè)時(shí)候所需要光刻設(shè)備廠家，刻蝕設(shè)備廠家，材料廠家，研究機(jī)構(gòu)等等，都要瞄準(zhǔn)這個(gè)目標(biāo)來做。

這個(gè)路線圖，主要是“為大學(xué)、財(cái)團(tuán)和行業(yè)研究人員提供未來的主要參考，以刺激各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新”。

也就是說，要給芯片制造從業(yè)者畫一個(gè)大餅。

多年來，國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS）發(fā)布了該行業(yè)的總體路線圖。這些路線圖延續(xù)了15年，為半導(dǎo)體市場(chǎng)設(shè)定了總體目標(biāo)。

ITRS就是畫大餅的人！

那如何畫這個(gè)大餅（roadmap）？

當(dāng)然是摩爾定律，也就是本文第一部分介紹的那樣。

摩爾定律這個(gè)就是這么粗暴。

一直從幾百nm，干到5nm或者3nm。

關(guān)鍵是，數(shù)學(xué)可以這么算，物理能這么搞嗎？

這么搞，是不是有點(diǎn)太草率了。

4：營銷手段：寶馬5系和5nm

不久之后， ITRS（國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖）這個(gè)組織也明白了，這么搞是不行的。

不能把柵極長度（gate length）或半節(jié)距（half-pitch）與節(jié)點(diǎn)大小聯(lián)系起來的原因是：

因此這些尺寸要么停止縮放，要么縮放得更慢了。

粗暴的乘以0.7還能指望晶體管能工作。

這種晶體管，工業(yè)界制造不出來。

于是，在2010年，ITRS將每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的技術(shù)，統(tǒng)稱為“等效縮放”。

也就是說，不用實(shí)際對(duì)應(yīng)上，你覺得差不過就行。

也就是說，7nm，5nm，早已不是原來指的柵極長度（gate length），或者（half-pitch）半節(jié)距。

這種改變，反應(yīng)了芯片制造業(yè)的現(xiàn)狀：

臺(tái)積電的Philip Wong在Hot Chips 31主旨演講中說：“它過去是技術(shù)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)，意味著一些東西，晶圓上的一些功能。”。

但是：“今天，這些數(shù)字只是數(shù)字。它們就像汽車模型——就像寶馬5系或馬自達(dá)6。數(shù)字是什么并不重要，它只是下一項(xiàng)技術(shù)的目的地，它的名稱。因此，我們不要把節(jié)點(diǎn)的名稱與技術(shù)實(shí)際提供的相混淆。”

畫重點(diǎn)：不要把節(jié)點(diǎn)的名稱和技術(shù)實(shí)際相混淆

5nm，7nm這些和寶馬5，馬自達(dá)6沒有什么區(qū)別。

這些只是營銷的手段而已。

不是大眾要把這個(gè)名字相混淆。

而是這些芯片制造廠商，搞這些營銷詞匯，不就是想混淆工藝制程的節(jié)點(diǎn)和晶體管的實(shí)際尺寸嗎?

雖然摩爾定律這艘大船進(jìn)入淺水區(qū)，快擱淺了。

讓我們一起晃動(dòng)這艘大船，假裝摩爾定律啟示的那樣繼續(xù)前進(jìn)，

所以英特爾就有人提出來了。

不要扯，5nm，7nm了，直接比拼一下單位面積晶體管的數(shù)量好了。

下面就是這個(gè)公式：

英特爾的芯片制造專家Mark Bohr提出來的， 它認(rèn)為每個(gè)芯片制造商在提及工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)，都應(yīng)披露其邏輯晶體管密度，單位為MTr/mm2（每平方毫米數(shù)百萬個(gè)晶體管）

這個(gè)也就是解釋了，為什么英特爾的10nm和臺(tái)積電的7nm，雖然看起來是兩代，但是二者的晶體管密度基本一樣。

但是，這個(gè)公式太復(fù)雜了。

怎么可能有7nm，5nm對(duì)大眾的宣傳效果好。

但是，實(shí)話實(shí)說，英特爾本身自己在命名方案里面，也沒有真正遵循柵極長度（gate  length）的模型。

從下表來看，隨著工藝的進(jìn)步，玩家越來越少了。

高端玩家就剩下了臺(tái)積電和三星，還有一直要追趕的英特爾。

明年，三星和臺(tái)積電的3nm都號(hào)稱要量產(chǎn)。

但是這一次，我們應(yīng)該知道，這個(gè)只是一代工藝代號(hào)而已，和3nm本身沒有太大的關(guān)系了。

從7nm，5nm，到3nm。

摩爾定律不死。

只是，已經(jīng)快“植物人”了。

引用文獻(xiàn)：

1：Technology Node - WikiChip

2：How Are Process Nodes Defined? - ExtremeTech

3:  TSMC’s 7nm, 5nm, and 3nm “are just numbers… it doesn’t matter what the number is” | PCGamesN