集成电路仍有发展空间,都说英特尔的工艺才是业界第一的

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电工电气网】讯

从1983年起,英特尔就是全球最大的半导体公司了,不仅营收规模领先其他半导体公司,而且拥有地球上最先进的半导体工艺——没错,英特尔在半导体行业上的优势就是这么逆天,直到2017年,三星超过英特尔成为第一大半导体公司,并在2018年蝉联第一。但是三星半导体做大主要是靠过去两年存储芯片的大涨价实现的,这样做大并不长久,随着内存降价周期的到来,所以今年英特尔又要重新夺回第一的宝座了——越容易得到的就越容易失去,半导体这样需要技术积累的行业是容不得浮夸的。

2018年三星、台积电将量产7nm工艺,未来的5nm甚至3nm工艺也露出了曙光,预计在2020年之后开始量产。多年来业界一直在追求半导体工艺不断降低线宽,不过在FinFET晶体管技术发明人胡正明教授看来,线宽微缩总有极限,可以从其他方面推进集成电路发展,比如能耗方面依然有1000倍的降低空间。

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胡正明是美国加州大学伯克利分校教授,IEEE院士、美国工程院院士、中科院外籍院士,他是FinFET工艺的发明人,也是FD-SOI工艺的发明人,在半导体工艺上是权威人士。此前在出席兆易集成电路科技馆开馆仪式上,胡正明教授接受了中国电子报的采访,谈到了半导体技术的发展方向等问题。

英特尔在全球半导体领域的地位就相当于游戏中的守关“Boss”,其他半导体公司如果拿到击杀Boss的成就将是一个巨大的荣誉,但是通关游戏的玩家都知道击杀最后的Boss并不容易,一个不小心就会被Boss秒杀,三星超越英特尔的成就现在就被英特尔夺回去了,先一步英特尔的目标就是捍卫摩尔定律,证明自己的制造工艺依然是全球最先进的,没有之一,哪怕是10nm
FinFET工艺也是要比其他家的7nm工艺更先进。

鼎盛平台娱乐,“集成电路的发展路径并不一定非要把线宽越做越小,现在存储器已经朝三维方向发展了。当然我们希望把它做得更小,可是我们也可以采取其他方法推进集成电路技术的发展,比如减少芯片的能耗。这个方向芯片还有1000倍的能耗可以降低。线宽的微缩总是有一个极限的,到了某种程度,就没有经济效应,驱动人们把这条路径继续走下去。但是我们并不一定非要一条路走到黑,我们也可以转换一个思路,同样可能实现我们想要达到的目的。”胡正明表示。

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“任何一种产业技术发展到一定程度,成本都是不可能如以前的芯片产业那样持续呈指数级地不停降低下去。今后很可能芯片成本不再会像以前那样下降得那么快了,但是至少要做到成本不增加。”胡正明说。

英特尔要想证明这件事也不容易,因为过去几年中,英特尔的制程工艺一直停留在14nm节点,被网友调侃为挤牙膏,而台积电。、三星已经先后量产了16/14、10nm及7nm工艺,单看制程工艺数字的话,英特尔似乎已经落后了两代以上了,以致于广大网友都默认了英特尔工艺落后的现实。

从胡教授的表态来看,半导体工艺的线宽微缩总有一个极限,这也意味着指导半导体业界发展50多年的摩尔定律终归有失效的时候,目前公认的说法是3nm以下就不再起作用了。不过线宽微缩只是集成电路发展的一个方向,集成电路依然有别的突破口。

事实真的如此吗?并不是,对英特尔工艺落后三星、台积电的认知只是存在于不了解技术细节的媒体及网友中,在半导体业内,虽然大家都看到了英特尔在10nm工艺上的延期问题,但没有人敢轻视英特尔的技术,英特尔在工艺及高性能架构上依然是领先的。·都叫14nm工艺,技术水平并不一样

胡正明教授现在强调的是集成电路的功耗,认为这个方向上依然有1000倍的降低空间。试想一下,我们今天使用的高性能CPU、GPU的TDP功耗分别在65-95W、150-250W之间,别说降低1000倍了,哪怕未来几年降至1/10,这也是革命性的进步了。

英特尔是何时被人视为工艺不再领先的呢?是在14nm
FinFET这一代上,在22nm节点上英特尔是全球第一家量产FinFET
3D晶体管工艺的,那时候台积电、三星还是28nm、32nm
Bulk工艺,英特尔遥遥领先,不过2015年的时候三星、台积电也开始量产14nm
FinFET及16nm
FinFET工艺,看起来好像是追平了英特尔的14nm工艺,这也是“英特尔工艺落后”这一说法的起源。

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但实际情况并非如此,英特尔作为摩尔定律的提出者以及最坚定的捍卫者,一直是严格遵守半导体工艺微缩定律的,他们的14nm工艺并不是台积电、三星的14/16nm工艺可比的,后两家的工艺是在20nm工艺上改良的,实际工艺水平是有水分的。

从技术水平来看,英特尔的14nm工艺在栅极距(gate pitch)、鳍片间距(fin
pitch)、金属栅距(metal
pitch)等关键指标上都是遥遥领先于其他厂商的工艺的,所以在晶体管密度上英特尔的14nm工艺可以达到每平方毫米3750万个晶体管,而三星、台积电的工艺只有2900万、3050万个晶体管/平方毫米,只比20nm工艺好一点。

所以在这一代工艺开始,三星的14nm工艺实际上应该是17nm工艺,台积电的16nm其实应该是叫19nm,制程工艺的命名已经变成了数字游戏,英特尔的14nm工艺密度是这两家的1.3倍多,优势很明显。

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此外,英特尔的14nm工艺也不是一成不变的,实际上从2015年到2017年已经发展出了三代14nm工艺——14nm、14nm+及14nm++,性能及功耗一直在改良,性能提升了26%,功耗降低了52%,这也是为什么从Skylake处理器以来英特尔的酷睿处理器频率一直在提升,第一代14nm工艺的Skylake处理器酷睿i7-6700K的加速频率不过4.2GHz,最多4核8线程,而到了14nm++工艺的Coffee
Lake处理器中,CPU核心数提升到了6核、8核,酷睿i9-9900K的单核、双核加速频率甚至达到了5.0GHz,这个提升幅度在改良版工艺中是无出其右的。

如果英特尔学会耍滑头,他们的三代14nm工艺完全可以学三星、台积电那样分别命名为14nm、12nm、11nm工艺。·制程工艺的数字游戏,三星、台积电带头坏了规矩

英特尔在制程工艺竞争上为什么“落后”?与其说英特尔老实诚恳,不如说台积电、三星狡猾,利用了媒体及网友对技术的无知,当然英特尔在10nm工艺上的延期也给了他们的一个机会,把制程工艺变成了一场数字游戏,因为在20nm节点之后半导体工艺越来越难,对工艺节点的定义有了分歧,三星、台积电才有把落后工艺改成先进工艺的可能。

经过多年的科普,现在的网友中很多人都知道了半导体工艺越先进,芯片的性能就越好,功耗还更低,核心面积还会减小,所以芯片的产能会增加,由此带来成本的下降,所以半导体工艺越先进自然是越好的,台积电、三星就是抓住了这样的心理将自家工艺命名为更先进的工艺,在营销上占了上风。

但是对半导体制程工艺的命名,不论是国际组织ITRS《国际半导体技术蓝图》还是光刻机巨头ASML都是有严格标准的,而英特尔是严格遵守国际规则的,但三星、台积电在最小栅极线宽上玩起了数字游戏,但英特尔院士Mark
Bohr表示线宽仅仅代表工艺节点,但要衡量这个工艺的好坏,Gate
Pitch栅极间距、Fin Pitc鳍片间距、Fin Pitch最小金属间距、Logic Cell
Height逻辑单元高度的参数更具参考意义。

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为了更好地衡量半导体工艺技术水平,英特尔院士Mark
Bohr提出了新的定义标准,如上图所示,英特尔表示使用标准的NAND+SFF公式才能更准确地估算逻辑晶体管的密度。

不过台积电、三星显然是不会听英特尔建议的,他们已经从制程工艺命名的数字游戏中尝到好处,怎么可能现在自废武功去削弱自己在市场营销上的优势呢?所以改变这个问题的关键还是得靠英特尔早点拿出10nm工艺。·英特尔10nm工艺一个打俩:直面友商7nm工艺

在10nm工艺上,英特尔是走过弯路的,主要是技术指标定的太高,导致量产困难,所以进度是落后了,但是高指标的背后意味着英特尔的10nm工艺技术优势强大,它不仅比友商的10nmnm工艺更先进,比其他两家的7nm工艺也不遑多让。

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半导体工艺一般的微缩水平是0.7x,换算成面积之后就是新一代工艺的晶体管面积为前代的0.49x,也就是说晶体管密度翻倍就是正常的摩尔定律进化水平了,而在14nm节点上,英特尔实现了2.5倍的晶体管密度,在10nm节点上他们的步子更大了,实现了2.7x倍的晶体管微缩,比业界标准的2x水平高出很多。

除此之外,TechInsight此前分析了英特尔首款10nm芯片酷睿i3-8121,发现10nm工艺使用了第三代FinFET立体晶体管技术,晶体管密度达到了每平方毫米1.008亿个,是目前14nm的足足2.7倍!

另外,Intel 10nm的最小栅极间距(Gate
Pitch)从70nm缩小到54nm,最小金属间距(Metal
Pitch)从52nm缩小到36nm,同样远胜对手。

事实上与现有其他10nm以及未来的7nm相比,Intel
10nm拥有最好的间距缩小指标。

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