英特尔10nm工艺发布：正面PK友商，刀刀见血

上月，国际半导体巨擘英特尔在北京举行了其近十年来在华的首次制造工艺的技术介绍。此次会议英特尔众多高管悉数出席。会上英特尔首次公布了自家最新的10nm工艺技术细节，并深度解析摩尔定律，并揭示目前关于制程节点命名上的猫腻，对于“摩尔定律已死”等言论给予了正面回击。

英特尔10nm工艺正式发布：领先对手整整一代

在CES 2017上，英特尔CEO科再奇就曾预告，英特尔将会在今年下半年推出新一代的10nm工艺。现在，英特尔的全新10nm工艺终于正式亮相，同时展示的还有基于英特尔10nm工艺的晶圆。英特尔表示，其10nm工艺拥有世界上最密集的晶体管和最小的金属间距，同时实现了业内最高的晶体管密度，领先其他竞争对手的10nm整整一代。

StacySmith首次展示10nm晶圆，其将被用来制造CannonLake芯片

据介绍，英特尔10nm工艺采用第三代 FinFET（鳍式场效应晶体管）技术，并应用超微缩技术 (hyper scaling)和多图案成形设计 (multi-patterning schemes)。

根据英特尔公布的数据显示，相比上一代的14nm制程，英特尔10nm制程的最小栅极间距从70nm缩小至54nm，且最小金属间距从52nm缩小至36nm。尺寸的缩小使得逻辑晶体管密度可达到每平方毫米1.008亿个晶体管，是之前英特尔14nm制程的2.7倍。得益于10nm工艺的超微缩技术对于晶体管密度的提升，也使得芯片的die size缩小的幅度超过了以往。可以看到，22nm之前每代工艺的提升可带来die size约0.62倍的缩减，14nm以及10nm则带来了0.46倍和0.43倍的缩减。

英特尔表示，相比之前的14nm制程，最新的10nm制程将可带来高达25%的性能提升和45%的功耗降低。

此外，英特尔还将推出增强版的10nm制程——10++，届时可将性能再提升15%或将功耗再降低30%。

摩尔定律依然有效，英特尔将推动摩尔定律再战10年

摩尔定律是由英特尔创始人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）于半个世纪前提出来的。

其内容为，“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管的数目，约每隔24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。也就是说，同样的成本下，每隔24个月，性能将提升一倍以上。

这一定律揭示了半导体技术进步的速度。

摩尔定律诞生之后几十年，半导体制程技术的发展也基本遵循着这一定律向前推进。体现在芯片制程工艺命名上，也一直都是以前一代制程的0.7倍对新制程节点命名，因为这样的升级每一代的晶体管密度正好是上一代的两倍。

所以，我们可以看到，英特尔90nm、65nm、45nm、32nm、22nm这样的命名，而且也基本是遵循每两年升级一代的规则。

但是自2011年下半年英特尔发布了22nm之后，近2年半的时间，即2014年上半年英特尔才发布14nm工艺。而在14nm向10nm提升的过程中，其Tick-Tock策略更是遭遇停摆（ick-Tock策略指一年提升工艺、一年提升架构的）。

直到今年，英特尔才正式发布10nm工艺，英特尔最近这两代的工艺都间隔了3年左右的时间，似乎打破了摩尔定律每两年升级一代的规律，这也使得外界对于摩尔定律是否走已经失效产生了疑问。

但是细心的网友应该发现，英特尔14nm与之前的22nm的命名并不是0.7倍之间的关系（22nm的0.7倍命名应该是16nm，14nm实际是22nm的0.64倍）。而且，根据英特尔的数据显示，从英特尔的32nm开始到后面的22nm，每两年的时间，晶体管密度的提升都超过了两倍：32nm的晶体管密度是45nm的2.27倍。

虽然英特尔从22nm升级到14nm，以及从14nm升级到10nm的时间周期都超过了两年，但是对应的晶体管密度也分别提升了2.5倍和2.7倍。

谈到晶体管密度，可能有些人不太清楚究竟如何来计算晶体管密度。

英特尔表示，一种简单的指标就是用栅极距（栅极宽度再加上晶体管栅极之间的间距）乘以最小金属距（互连线宽度加上线间距），但是这并不包含逻辑单元设计，而逻辑单元设计才会影响真正的晶体管密度。

而另一种指标：栅极距乘以逻辑单元高度，则纠正上述缺陷而朝着正确方向迈出的一步。但是这两种指标，都没有充分考虑到一些二阶设计规则，也都没有试图说明设计库中不同类型的逻辑单元。

因此这两种方法都无法准确体现实际意义上的晶体管密度。

此外，这些指标量化了比较上一代的相对密度，而真正需要的是给定面积内的晶体管绝对数量。在另一种极端条件下，用一个芯片的晶体管总数除以面积毫无意义，因为大量设计决策都会对它产生影响——例如缓存大小和性能目标等因素，都会导致这个值发生巨大变化。

其实在摩尔定律提出之时，对于晶体管密度就已经有了一个比较准确的计算公式，只不过这个公式并没有像摩尔定律一样被广泛的认知。

这个计算公式基于标准逻辑单元的晶体管密度，并包含决定典型设计的权重因素。

尽管任何设计库中都有各种标准单元，但是我们可以拿出一个普及的、非常简单的单元——2输入 NAND单元，以及一个更为复杂、但也非常常见的单元：扫描触发器SFF，结合对应面积和权重比，最终得出晶体管密度。

那么在这个公式之下，英特尔各个工艺节点的密度又是多少呢？

从上面这张图上我们可以看到，英特尔14nm工艺下的晶体管密度为37.5Mtr/mm²，而这个密度是英特尔22nm工艺下晶体管密度的2.45倍。

如果按照摩尔定律每两年翻一番的标准，两年半的周期，晶体管数量应该是需要增加2.5倍左右，所以英特尔的14nm工艺的晶体管密度也基本符合摩尔定律要求。

而此次英特尔发布的10nm工艺下的晶体管密度则达到了100.8Mtr/mm²，大约是上一代的14nm工艺的2.7倍，也就是说3年左右的时间内，英特尔实现了晶体管密度2.7倍的增长。

虽然还是略低于本该3倍的增长率，但是结合此前几代超出摩尔定律的增长数据，英特尔10nm工艺仍然符合摩尔定律的对于晶体管密度的线性增长要求。

当然，摩尔定律除了要求每两年晶体管数量翻一番之外，还包括对于性能增长、成本下降的要求。

可以看到，英特尔每一代工艺的提升都带来了处理器性能的大幅提升和功耗的大幅下降。

从成本方面来看，虽然芯片每平方毫米的成本在不断上升，但是随着晶体管密度的提升，同样数量的晶体管所占的芯片面积是不断下降的。所以总体上单位数量晶体管的成本不仅没有增长，而且一直在下降，虽然下降幅度相比之前在放缓。

如果结合450mm晶圆技术，则可以进一步减少单位面积下的晶圆成本，从而推动晶体管成本的加速下滑。我们不难看出，在英特尔的推动下，摩尔定律依然有效，并还在继续向前推进。

“摩尔定律使计算得以普及。它是一个非常强大的经济学定律：按照特定节奏推动半导体制造能力的进步，我们就可以降低任何依赖于计算的商业模式的成本。”

Stacy Smith称：“想象一下，如果其它行业以摩尔定律的速度进行创新——性能每两年翻一番，那会发生什么？汽车能效：现在只需一加仑汽油，即可行驶相当于地球和太阳之间的距离；农业生产力：现在只用一平方公里土地，即可养活全部地球人；太空旅行：速度现在可以提升至300倍光速。这也是为什么摩尔定律如此重要的原因。”

英特尔高级院士、技术与制造事业部制程架构与集成总监Mark T. Bohr

英特尔高级院士、技术与制造事业部制程架构与集成总监Mark T. Bohr也表示：“逐一实现全新的制程节点变得愈加困难，成本也更加昂贵。这也意味着半导体制造业将继续整合，因为越来越少的公司能承担得起推进摩尔定律的成本。”

此外，为了推动摩尔定律在未来的继续前进，以及可能的后摩尔时代的到来，英特尔还积极研究如纳米线晶体管、III-V 材料（如砷化镓和磷化铟）晶体管、硅晶片的3D堆叠、高密度内存、（EUV）光刻技术、自旋电子、神经元计算等前沿项目。

制程节点命名上的“猫腻”

从英特尔的22nm之后，台积电、三星等半导体制程技术似乎也开始逐渐迎头赶上。虽然2014年英特尔就推出了14nm工艺，之后仅一年不到的时间，三星也推出了自家的14nm工艺，随后台积电也推出了其16nm工艺。

2015年下半年发布的苹果iPhone 6s所搭载的A9处理器就分别采用了三星的14nm工艺和台积电的16nm工艺。

去年年底，三星和台积电又相继推出了自己的10nm工艺，这也比英特尔的10nm工艺早了将近一年的时间。

真的是三星、台积电的制程工艺开始赶超英特尔了吗？

近10多年来随着制程越来越困难，芯片代工市场的玩家到现在只剩下四家厂商

其实，这只是三星、台积电为了争夺市场，而采取的制程数字上的营销策略。

“随着摩尔定律的推进，制程升级也开始变得越来越难，一些公司开始背离了摩尔定律对于制程工艺的命名法则。即使晶体管密度增加很少，但他们仍继续推进采用新一代制程节点命名。这也导致了制程节点名称根本无法正确体现这个制程位于摩尔定律曲线的哪个位置。”Mark T. Bohr解释道。

如果以前面提到的晶体管密度计算公式作为标准的话，我们不难发现，英特尔三年前推出的14nm制程所能达到的晶体管密度已经与三年后台积电、三星所推出的10nm的晶体管密度相当。

英特尔最新的10nm制程工艺虽然比三星、台积电的10nm工艺推出时间略晚，但它的晶体管密度却达到了后者的两倍。

此外，英特尔10nm的鳍片间距、栅极间距、最小金属间距、逻辑单元高度等指标均领先于台积电和三星的10nm。英特尔的数据对比真可谓是刀刀见血。

以往英特尔在技术方面都比较低调，这次也是近10年来第一次在中国举办制程技术交流活动，相对于以往，英特尔在对于自家的制程技术宣传上变得更加高调，这样的变化背后，一方面可能是由于竞争对手的节点命名及营销策略让英特尔很被动，另外一方面则是因为英特尔正计划大力开拓芯片代工业务。

去年8月，英特尔宣布开放代工业务，同时与ARM达成新的授权协议，英特尔将可以利用自己的制程技术代工ARM架构的芯片。

今年，展讯发布的SC9861G-IA和SC9853，都采用了英特尔的14nm工艺代工。现在，英特尔还开放了22nm FFL以及最新的10nm制程，芯片代工市场又多了一个的玩家，台积电、三星想必压力山大。