芯片工藝的"7nm" 、"5nm"到底指什么？

近幾年，芯片產業越來越火熱，一些行業內的術語大家也聽得比較多了。那么工藝節點、制程是什么，"7nm" 、"5nm"又是指什么？

1.摩爾定律

1965年，英特爾公司（Intel）的創始人之一的戈登·摩爾應邀為《電子學》雜志35周年?？瘜懥艘黄^察評論報告，題目是：“讓集成電路填滿更多的元件”。在摩爾開始繪制數據時，發現了一個驚人的趨勢：每個新芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個芯片的產生都是在前一個芯片產生后的18-24個月內。如果這個趨勢繼續，計算能力相對于時間周期將呈指數式的上升。

即著名的摩爾定律，歸納起來主要有3種版本：

1、集成電路芯片上所集成的電路的數目，每隔18個月就翻一番

2、微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一半

3、用一美元所能買到的計算機性能，每隔18個月翻兩番

摩爾定律并不是一個物理或數學定律，只是一個總結。

根據摩爾定律，每隔18個月，芯片規模不變的情況下，芯片面積是原來的二分之一。

假設新工藝的良率和成本與原來一致，理論上來說，相同的晶圓，芯片的產量翻倍，成本減半。而且采用新工藝的芯片，性能、功耗、面積都更優。

制程一般按照“數字+nm”的表達形式，在早期，制程節點命名與晶體管的Gate Length和Half-pitch Size有關。

首先對于二極管和由Metal Wire組成的集成電路，Gate Length表示二極管Gate極的寬度，而Half-pitch Size代表的是芯片內部互聯線間距離的一半，也即光刻間距的一半。

總的來說，制程節點越小意味著晶體管越小、速度越快、能耗表現越好。

為什么臺積電、三星都有10nm,7nm,5nm這些制程節點呢，這些節點是否有一定的規律？

首先回到摩爾定律，下一代工藝的芯片面積是上一代的一半。

假設按照正方形來計算，設兩代工藝的晶體管尺寸分別為x，y?？傻?/p>

可知下一代工藝晶體管的尺寸基本上是上一代工藝的0.7。

下圖是目前主流制程節點的半導體制造廠商情況，從180nm開始算，基本上符合這種數學關系，這就是摩爾定律的偉大之處，幾十年前總結的規律和現在的芯片制程幾乎吻合。

目前臺積電和三星最先進的工藝節點是5nm, 那么可以推算出接下來的工藝就是3nm，2nm，1nm。

2.優化再優化

但是上圖中有幾個數字很顯得與眾不同，就是40nm、28nm、20nm、14nm。這涉及到芯片制造廠的常用手段——shrink。

芯片工藝的研發需要很大的成本，尤其是芯片制程的不斷縮小，研發成本可以用恐怖來形容，比如研發28nm工藝，需要耗費5130萬美元；而到了7nm節點，費用將提升到2.97億美元。

如果說可以在當前工藝節點上持續優化，能最大程度地利用原有投入成本。

Shrink本質上就是利用MASK等比例縮小晶體管的尺寸，再通過一些方式修修補補，使其仍然能夠正常工作。

這些shrink后的工藝節點，也被人稱為半節點。目前shrink大約可以把晶體管尺寸縮小為原來的0.9。

那么40nm就是45nm shrink后的半節點（它們可認為是同一工藝節點，只是廠家進行了優化），以此類推。

優化后的半節點更成熟，優勢更多，慢慢廠家就主推這些半節點了。所以14nm要比16nm更多地出現我們的視野中。

3.我們被“騙”了

但是，一個原子直徑大約為0.1nm，那么現在的5nm工藝豈不是只有50個原子的長度，是否有些夸張了。

在前面說過制程節點與晶體管的Gate Length和Half-pitch Size有關，實際上到了28nm以下，由于采用finfet這些新技術，兩者基本就匹配不上了。

在摩爾定律提出的前三十年，新工藝制程的研發并不困難，但隨著特征尺寸越來越接近宏觀物理和量子物理的邊界，現在高級工藝制程的研發越來越困難，研發成本也越來越高。

如果工藝制程繼續按照摩爾定律所說的以指數級的速度縮小特征尺寸，會遇到兩個阻礙，首先是經濟學的阻礙，其次是物理學的阻礙。

經濟學的阻礙是，隨著特征尺寸縮小，由于工藝的復雜性設計規則的復雜度迅速增大，導致芯片的成本迅速上升。至于物理學的障礙主要來源于量子效應和光刻精度。幾十個原子那么厚，會產生諸多量子效應，導致晶體管的特性難以控制。

如果保持節點名稱和實際特征尺寸同步，會如下圖紅線所示，在2015年，芯片工藝的實際尺寸就會達到1nm。

但目前的工藝曲線和藍線更符合。

那也就是說摩爾定律早就失效了？事實上摩爾定律在不停地維護和修正，主要由ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductor）來制定來討論合適的制程發展速度。ITRS制定了一個節點介紹的總體路線圖以及這些節點將針對的功能尺寸，這個路線圖為芯片制造行業的上下游（光刻設備廠家、刻蝕設備廠家、材料廠家、大學和研究機構等）提供導引作用。

通過修正，工藝節點和晶體管尺寸并不是完全一致了。

4.營銷還是營銷

所以現在的7nm、5nm就是個數字，僅此而已，和技術實際沒啥聯系。

總的來說，這就是一種芯片制造行業面向大眾一種默認“營銷”手段。

早年間英特爾還是比較堅持初心的，將名稱和制程盡可能聯系起來（但也沒有完全遵循尺寸模型），所以就有了“14nm+++”擠牙膏傳說。

英特爾說了，大家不要瞎扯，什么7nm、5nm的，我們直接看單位面積的晶體管數量。也就是下面的公式

雖然英特爾的10nm和臺積電的7nm看起來是兩代，但晶體管密度基本一樣，如下圖。

但是這對消費者來說太復雜了，怎么能有5nm、3nm宣傳效果好呢。

臺積電7nm、5nm口號喊得十分響亮啊，眼看要領先英特爾10nm“兩三代”工藝了。

再加上近兩年采用了臺積電工藝的AMD處理器（除晶體管密度外，還有其他的一些關鍵參數決定了一款處理器的性能）讓廣大消費者喊出了“AMD，YES！”。

英特爾也慢慢坐不住了，去年就改變了自家的命名規則，直接宣稱4年內進入“埃米”時代（比小更?。?。

摩爾定律通過修正依舊在發揮作用，但工藝制程的更新換代越來越慢了。

據說明年蘋果的A17芯片將采用臺積電的3nm工藝，但現在我們知道3nm僅僅就是個代號，比現在5nm技術更新了一代，和數字上的3nm沒什么關系了。




審核編輯：劉清