英特爾新一代電晶體將「大變身」,打臉臺積電的製程命名「水分太高」

2020-12-06 騰訊網

半導體業內奉為圭臬的 「摩爾定律」 是指每兩年在同樣面積下，電晶體密度要增加一倍。

可是，這個遊戲玩到後來，怎麼只剩下半導體界的 「老派紳士」 英特爾在遵守遊戲規則了呢？其他競爭對手分明都 「違規」 了！

英特爾日前在臺灣舉行 「架構日」，花了一上午的時間，並提出具體數字來佐證自己的每一代製程技術演進與命名邏輯，不但是毫無水分，而且還比摩爾定律要求的「兩倍電晶體密度」 標準還要高。

電晶體密度超越摩爾定律要求

英特爾新竹辦公室總經理謝承儒舉例，2019 年推出的 10nm 製程，裡面的電晶體密度超過 100 億個，較上一代 14nm 的 44.67 億個電晶體整整增加 2.3 倍。意思是在同等面積下，塞入超過兩倍的電晶體。

到了 14nm 製程世代，電晶體密度又是上一代 22nm 製程的 2.7 倍，證明英特爾在電晶體密度這個摩爾定律的重要指標上，實力遠遠高於同業，且製程的命名沒有絲毫水分。

再者，很多人喜歡把英特爾停留在 14nm 製程世代上的時間過久，且一直推出微縮版本 14nm+、14nm++ 製程這件事來討論。

謝承儒表示，14nm++ 相較於 14nm 製程，性能增加達到 20%，幾乎是一個製程節點的提升; 這也代表，英特爾不需要推進到下一個製程世代，就可以將效能大幅提升 20%。

隨著英特爾第十一代 Core 處理器，代號為 Tiger Lake 正式推出後，英特爾正式進入 10nm 製程技術世代。

在 10nm 製程世代上，發展到第三代的 10nm++ 稱為 10nm SuperFin 製程。從 10nm 到 10nm SuperFin 的性能表現也是增加 20%，同樣也相當於一個節點的提升。

製程命名邏輯

在半導體製程上，最重要的單元是電晶體，每一顆 IC 設計最低層元件就是電晶體。

電晶體的表現反映在很多面向上，例如密度、性能、漏電錶現等。其中，前兩個面向：密度和性能最為關鍵。密度是指在同樣面積中，可以塞入多少的電晶體。

再來看看，製程技術的命名究竟是怎麼定義的？

最早期，製程技術的命名是根據電晶體的閘極長度（Gate Length）而定，但一直發展到 0.25 微米以下開始脫節，因為是電晶體往下走的核心精華不是閘極長度，而是依循摩爾定律。

上圖中，黃色線與藍色部分接觸的是閘極長度。當電晶體從左邊的平面式轉換成右邊的鰭式電晶體 FinFET 時，與藍色接觸面從傳統電晶體的一個接觸面，變成三個接觸面。因此，要去計算閘極長度來做為製程命名，其實不太合理。

再者，上述提到的英特爾的 SuperFin 技術，其實不是只有一個鰭，而是有好幾個，這也代表接觸面會越多，而接觸面越多，控制力就會越強。

以電晶體閘極長度來命名的方式，在發展到鰭式電晶體 FinFET 世代後失效。英特爾開始以電晶體的密度來作為命名方式，依循每個世代線寬縮減約 0.7 倍的非常規律。

例如從 90nm 製程節點，下一代製程就是 65nm（90 x 0.7 = 63，取 65nm）; 再下一代製程節點則為 45 nm（65 x 0.7 = 45.5），之後的命名邏輯是依此類推。

這樣的命名方式下，代表未來製程世代與電晶體的閘極長度，不再有絕對關係，且每一個製程世代之間的電晶體密度成長接近兩倍，趨勢也符合摩爾定律的規範。

GAA 架構電晶體披露

英特爾也披露在鰭式電晶體 FinFET 之後的新一代電晶體架構 Nanoribbon，其實就是一種 GAA（Gate-All-Around）架構，目前正在研發中。

之前提到英特爾發展出 SuperFin 技術不是只有一個鰭，而是有好幾個鰭，優勢是接觸面會越多，代表控制力就會越強。

可以從上圖中看到，Nanoribbon 架構是整個包起來，所以接觸面從過去平面式電晶體的一個接觸面、鰭式電晶體 FinFET 的三個接觸面，到了 Nanoribbon 電晶體架構已經變成四個接觸面。

這樣的電晶體架構不但是越做越小，面積持續微縮，且因為接觸面增加，控制能力也會強化。

目前三星已經宣布 3nm 導入 GAA 架構，臺積電則是宣布 3nm 維持 FinFET 電晶體的架構。至於英特爾，則已經開始在投入 GAA（Nanoribbon 電晶體架構）的研發。

相較於其他競爭對手，都在製程世代的命名上大玩宣傳花招，只有英特爾這位半導體「老派紳士」，嚴謹又堅持地捍衛著創辦人戈登 · 摩爾在 50 多年前提出的摩爾定律，對於電晶體密度的要求，甚至做到超過該定律要求的標準。

除了電晶體密度的「正名」，英特爾也一直強調一個概念：產品的整體效能難道只有決定在半導體的製程技術上？

為了要打破這個迷思，英特爾這幾年提出「六大創新支柱」：製程與封裝、XPU 架構、存儲、互聯架構、安全性以及軟體。

英特爾強調，晶片放在終端設備上的性能表現，絕非只有單一製程技術這個環節可以展現的，英特爾以眾多面向的優勢來重塑概念。

自製與外包的策略

英特爾執行長 Bob Swan 在今年 7 月的投資人會議中提出因為 7nm 製程良率，而考慮可能委由第三方供應商來生產。當時也引發全球科技產業的熱絡討論。

英特爾舉例，旗下的獨立顯卡 GPU 也部份自己生產，但部分委外給其他晶圓代工廠生產。如上圖中的獨立顯卡 Xe 系列，有些系列是採用自家的 10nm SuperFin 製程技術，但有些系列的晶片則是外包生產。

英特爾表示，當多數的獨立 GPU 都是由晶圓代工廠生產時，其實沒有非要英特爾自己做不可，況且自家的產能要留給更重要的產品來生產，而外包策略可以促使產品加快上市。

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