英特爾7nm等同于臺(tái)積電的5nm？ASML揭曉答案

電子發(fā)燒友報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）ASML目前已然成了全球最大的光刻機(jī)設(shè)備供應(yīng)商，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的源頭支柱企業(yè)，不管是蘋果的M1芯片，還是高通的驍龍888芯片，都是在ASML的光刻機(jī)下誕生的。光刻機(jī)市場(chǎng)上，ASML已經(jīng)占據(jù)了全球62%的市場(chǎng)份額，更不用說(shuō)EUV更是獨(dú)此一家。

ASML的主要客戶有臺(tái)積電、三星、英特爾和中芯國(guó)際等企業(yè)，雖然光刻機(jī)的訂單不成問(wèn)題，但供貨可不是一天兩天的事。從訂單到交貨最長(zhǎng)達(dá)兩年，價(jià)值1.2億美元的EUV更是包含10萬(wàn)多零部件，需要約摸40個(gè)集裝箱運(yùn)輸。而且這其中大半零部件都來(lái)自于美國(guó)，這也會(huì)為何美國(guó)可以限制光刻機(jī)出口的原因。

ASML不僅生產(chǎn)光刻機(jī)，對(duì)半導(dǎo)體制造的研究也沒(méi)有落后，那么在他們看來(lái)，這幾家主要的半導(dǎo)體制造廠商的技術(shù)上有哪些異同呢？ASML技術(shù)開(kāi)發(fā)中心負(fù)責(zé)人以及公司副總裁Anthony Yen在近期一次采訪中說(shuō)道，英特爾在5nm的工藝上已經(jīng)落后于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，7nm也沒(méi)有開(kāi)始大規(guī)模量產(chǎn)，但由于他們更高的設(shè)計(jì)規(guī)則，英特爾的7nm是與臺(tái)積電和三星的5nm相差無(wú)幾的。

隨著AMD在臺(tái)積電的先進(jìn)制程幫助下，移動(dòng)與桌面端CPU都已經(jīng)開(kāi)始采用7nm工藝，而反觀英特爾，移動(dòng)端好不容易用上了10nm，而桌面端CPU仍在采用打磨已久的14nm工藝，比如即將于3月30日正式發(fā)布的Rocket Lake-S系列。雖然英特爾已經(jīng)對(duì)14nm進(jìn)行了多次迭代，但在用戶眼中看來(lái)，這次“擠牙膏”未免太久了一點(diǎn)。

一只腳邁入全面10nm

英特爾雖然在7nm上坎坷不斷，但好在也即將進(jìn)入全面10nm的階段了。近期外媒VideoCardz公布了或于今年第四季度發(fā)布的Alder Lake-S CPU的泄露信息。從公布的消息上來(lái)看，這款CPU采用的并非如今Tiger Lake移動(dòng)處理器上的10nm SuperFin技術(shù)，而是10nm的SuperFin加強(qiáng)版。

Alder Lake網(wǎng)傳泄露宣傳圖 / VideoCardz

從上圖中可以看出，在新技術(shù)的加持下，英特爾再度將單線程性能提升了20%，多線程性能提升最高至兩倍，而且支持最新的PCIe 5.0、Wi-Fi 6E、Thunderbolt 4和DDR5。而新CPU的接口也將換為L(zhǎng)GA1700，供搭載英特爾600系列芯片組的主板使用。但從業(yè)內(nèi)人士透露的消息來(lái)看，很可能只有高端Z690主板才會(huì)提供DDR5內(nèi)存支持，而低成本的Z690主板仍可能僅支持DDR4內(nèi)存。據(jù)了解，這是由于DDR5內(nèi)存的量產(chǎn)不確定性所致，也給了英特爾和主板制造商更高的市場(chǎng)靈活度。

VideoCardZ同樣爆料第十三代芯片Raptor Lake-S將在2022年正式發(fā)布，很有可能依舊采用10nm的SuperFin加強(qiáng)版，而7nm的SuperFin加強(qiáng)版可能得等到之后的Meteor Lake-S處理器才會(huì)面世。

密度不輸人，命名吃了虧

那么制程落后的英特爾就一定比臺(tái)積電和三星要差嗎？也不盡然，說(shuō)英特爾制程落后倒不如說(shuō)是吃了命名的虧。從1960年代以來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)就一直在用物理參數(shù)作為制程技術(shù)的代名詞，也就是晶體管柵極長(zhǎng)度。這一代名詞已經(jīng)從80年代的微米級(jí)到了如今的納米級(jí)，卻也逐漸開(kāi)始偏離原本的含義，更近似于一個(gè)商業(yè)用詞。如今最先進(jìn)的制程已經(jīng)達(dá)到5nm，臺(tái)積電等半導(dǎo)體制造商更是開(kāi)始研究2nm和3nm，也給人以半導(dǎo)體技術(shù)即將到達(dá)界限的假象。

依照Anthony Yen的觀點(diǎn)來(lái)看，ASML堅(jiān)信摩爾定律至少可以再堅(jiān)持10年，而且將與3D集成技術(shù)共同推進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的演進(jìn)。與此同時(shí)，不少人也在呼吁用新的方式來(lái)衡量制程節(jié)點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展，英特爾正是其中的主要號(hào)召者。

英特爾高級(jí)研究員和制程架構(gòu)與集成主管Mark Bohr早在2017年就號(hào)召用標(biāo)準(zhǔn)化的密度指標(biāo)來(lái)衡量制程與摩爾定律曲線的關(guān)系。制程已經(jīng)換代，晶體管密度卻沒(méi)有變化的情況也不是沒(méi)有。因此他主張利用MTr/mm2（每平方毫米內(nèi)百萬(wàn)個(gè)晶體管）作為了邏輯晶體管密度的單位，除此之外再單獨(dú)給出SRAM的密度數(shù)據(jù)。

英特爾制程晶體管密度曲線 / Intel

以這種單位來(lái)比較的話，英特爾在每個(gè)制程節(jié)點(diǎn)上的晶體管密度提升都是十分可觀的，比如從14nm到10nm，晶體管密度就有了2.7倍的提升。英特爾一直在打磨的14nm晶體管密度為37.5MTr/mm2，而10nm下的晶體管密度已經(jīng)達(dá)到100.8 MTr/mm2。

而臺(tái)積電的第一代7nm制程N(yùn)7FF僅有96.5 MTr/mm2的密度，之后引入EUV光刻機(jī)后的N7FF+（7nm+）才達(dá)到113.9 MTr/mm2的密度，這也是目前AMD主要采用的工藝。臺(tái)積電的6nm過(guò)渡工藝的密度則在114.2 MTr/mm2左右，也是聯(lián)發(fā)科天璣1100手機(jī)處理器所用的工藝。

臺(tái)積電在2020年中宣布，其5nm制程的邏輯密度是7nm（N7）制程的1.8倍，因此初步估計(jì)晶體管密度在173 MTr/mm2左右。相較同樣推出了5nm的三星，后者5LPE制程的晶體管密度只有126.53 MTr/mm2左右。不過(guò)此前三星也提到5LPE與7LPP相比，多數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)則都是兼容的，意味著5LPE更像是一個(gè)全面引入EUV光刻機(jī)后的制程翻新而已。

曾任英特爾CEO的Brian Krzanich曾提到與10nm相比，英特爾的7nm將有2.4倍的密度提升。而上一任CEO Bob Swan則在19年末提到，英特爾不會(huì)在7nm上追求2.4倍或者2.7倍的提升，而是與5nm一樣追求2倍的的提升。由此預(yù)估，英特爾7nm的晶體管密度大約在202到250 MTr/mm2左右。

這下可以看出英特爾在制程命名上的劣勢(shì)有多大了，其他的半導(dǎo)體制造商在密度提升上并沒(méi)有這么激進(jìn)，可能在小幅提升后就換個(gè)了數(shù)字預(yù)示新的制程節(jié)點(diǎn)。而英特爾在制程命名換代上卻追求的不是小提升，只能通過(guò)改善性能和功耗在已有制程上不斷添上“+”號(hào)。以14+和14++為例，英特爾用了更大的柵極間距來(lái)?yè)Q取高頻性能的提升，以至于10nm剛推出時(shí)，甚至性能還比不上14nm++。

去年IEEE發(fā)布的一篇論文中也提到了密度指標(biāo)的問(wèn)題，這篇論文的作者之一也是臺(tái)積電的研究人員。該文章主張從L（邏輯）、M（內(nèi)存）和C（連接）的密度來(lái)衡量制程。L即邏輯晶體管的密度，這也類似于英特爾主推的密度指標(biāo)，M即主存儲(chǔ)器（也就是片外DRAM）的密度，C即邏輯單元與主存儲(chǔ)之間的連接密度，這樣當(dāng)下的一些制造技術(shù)可以用[38M，383M，12K]這樣的方式來(lái)表述，也可以讓人看出3D集成技術(shù)對(duì)密度的影響。如此一來(lái)這些半導(dǎo)體公司依然可以用他們喜歡的命名來(lái)推銷技術(shù)，但這一密度指標(biāo)也可以作為客戶和用戶提供更清晰的比對(duì)。

小結(jié)

盡管英特爾的7nm得到了ASML的肯定，但半導(dǎo)體是一個(gè)瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)，推遲了制程進(jìn)度的也不是臺(tái)積電。要知道在目前的路線圖下，英特爾的7nm制程從預(yù)計(jì)從2022年才開(kāi)始加速量產(chǎn)，2023年才進(jìn)入全面量產(chǎn)，而到了2023年，臺(tái)積電早已實(shí)現(xiàn)3nm制程的全面量產(chǎn)，哪怕只有1.5倍的密度提升也足以超過(guò)英特爾。

好在現(xiàn)在英特爾哪怕制程落后，也不用太過(guò)擔(dān)心競(jìng)爭(zhēng)力落差。3月24日，英特爾新任CEO Pat Gelsinger已經(jīng)宣布將與臺(tái)積電展開(kāi)合作，負(fù)責(zé)代工2023年的客戶與數(shù)據(jù)中心CPU。如此一來(lái)，在2023年英特爾既能全面用上自家的7nm制程保證利潤(rùn)率，又可以借助臺(tái)積電彼時(shí)5nm之后的先進(jìn)制程來(lái)保證競(jìng)爭(zhēng)力。就拿AMD來(lái)說(shuō)，Zen 2系列CPU的CCD由臺(tái)積電的7nm制造，但I(xiàn)/O卻是基于GlobalFoundries的12nm/14nm工藝，這種做法對(duì)于Chiplet的小芯片設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)也將愈發(fā)常見(jiàn)。

對(duì)于過(guò)去設(shè)計(jì)與制造僵化的英特爾，如今的英特爾不僅開(kāi)放自己的代工業(yè)務(wù)，更是毫不避諱地將自己的產(chǎn)品交由第三方代工，未來(lái)的英特爾擺脫“牙膏廠”名號(hào)的希望正在不斷放大。

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