揭开芯片工艺和摩尔定律背后的“秘密”

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01摩尔定律

1965年，硅谷传奇，仙童“八叛徒”之一，英特尔原首席执行官和荣誉主席，伟大的规律发现者戈登·摩尔正在准备一个关于计算机存储器发展趋势的报告。

在他开始绘制数据时，发现了一个惊人的趋势。

每个新的芯片大体上包含其前任两倍的容量，每个芯片产生的时间都是在前一个芯片产生后的18~24个月内，如果这个趋势继续，计算能力相对于时间周期将呈指数式的上升。

这个就是大名鼎鼎的摩尔定律， 其对集成电路产业的发展描述，异乎寻常的正确。

总结来说：

1：集成电路芯片（wafer）上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。

2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半。

3、用一美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两番。

你可能觉得摩尔定律平平无奇，只不过是一个总结？

其实这可以推导出了一个公式，那就是每18个月，在芯片规模不变的情况下，芯片面积减半。

这样相同的大小的wafer，可以生产出多一倍的芯片。

如果上一代工艺芯片面积是1mm2，在新工艺上，面积就是新工艺的一半，也就是0.5mm2。

我们假设两代工艺wafer成本一样（一般新工艺会贵一些），那么采用新工艺，其成本是原来工艺成本的一半。

这个就是摩尔定律揭示的现实：

那就是，采用新工艺的芯片，面积更小，功耗更优，频率更高，成本还更低。

这个就是新工艺对老工艺降维式的打击！

这些优点和好处就是驱动芯片工艺不断进步的发动机。

也就是摩尔定律的内涵。

那如果芯片工艺进步，每个晶体管的尺寸就会缩小，那到底缩小多少？

如上图所示，晶体管数量保持不变的情况下， 下一代新工艺的芯片面积是上一代的一半。

那么X和Y什么关系。

如果我们按照正方形来计算的话？

那么新工艺大约是老工艺晶体管尺寸的0.7倍。

也就是晶体管会缩小0.7倍。

那根据摩尔定律，我们利用初中数学知识，就能算出每一代工艺的进步，从800nm开始（这个80586的工艺节点）。

而芯片工艺的发展也印证了这一点：

从0.8 μ m、0.5 μ m、0.35 μ m、0.25 μ m、0 .18 μm、0.13 μ m、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm，5nm。

实际的工艺节点，符合了这个要求。

摩尔定律和现在芯片制程完全吻合。

神奇！

02半节点

可能有些工艺制程知识的同学会说：

有点不对劲，

这个图里，制程很火的40nm，28nm，14nm跑哪里去了。

对，这就涉及到一个芯片制造厂常用的手段。

shrink。

我们都知道，一个工艺节点研发成功后，其研发成本是很高的。

如果可以在这个工艺节点上持续优化，面积，功耗等等。

也是一种最大化利用原有投入的方式。

就像intel就在14nm上做的一样。

14nm+++

持续优化。

而我们今天讲的shrink，也是一种优化。

它本质上是利用光照（MASK）等比例缩放后。晶体管尺寸缩小一点，芯片仍然能够正常工作，从而减少芯片面积，降低成本。

那么shrink的比例是多少？

Shrink 一般可以将晶体管的尺寸缩小0.9倍。

大约每个边长缩放为0.9；整体面积缩小0.81；

这个过程又称为，芯片收缩(die shrink)。

然而，按比例缩小可能引入新的问题，例如漏电流增大，但是通过工艺参数可以来调节漏电，shrink在不改变工艺特性的基础上，修修补补，也能挖掘这个工艺节点的潜力。

这些shrink后的工艺节点，也被人称为半节点。

例如：

 40nm是45nm shrink后的半节点。

 28nm是32nm  shrink后的半节点。

 20nm是22nm shrink后的半节点。

 14nm也可以看作16nm shrink后的半节点。

把前面的工艺，乘以0.9就可以了。

DIE shrink是芯片制造厂家来做的，和芯片设计公司没有关系。

工程师设计完成的版图都是 pre shrink的，而到了厂家生产的时候，直接进行shrink，生成的die的面积比版本等比例缩小。

所以我们现在芯片设计工程师，做40nm或者28nm等半节点工艺时，都有一个shrink的流程。

会发现，芯片的版图比实际的DIE的面积要大。

如果我们计算最后的DIE（芯片）面积，实际上要算shrink之后的，而不是版图的面积。

EDA工具标注的都是shrink前（pre shrink）的面积。

那就是设计公司给了芯片制造厂一张10X10的设计图纸，而芯片厂生产的尺寸却是9x9。

具体DIE，WAFER等定义，不熟悉的同学，可以参见老哥原来写的的《人类高质量芯片工程师的那些“黑话”》

这些优化后的，40nm，28nm等等，成为了更成熟和长寿的工艺。

而原有的45nm，32nm等，与优化后的40nm，28nm相比，不再具有优势，厂家不再推这些工艺工艺。

事实上，业界通常把45nm/40nm, 32nm/28nm, 22nm/20nm, 16nm/14nm 这些工艺节点，看作同一个工艺节点，是一代，只是厂家通过shrink这种手段，进行的优化。

加上shrink以后，我们看到目前的28nm，14nm，10nm，7nm，5nm都可以用摩尔定律上一节的初中数学知识算出来。

严丝合缝，理论和实际吻合的很好。

戈登.摩尔，真神人也！

03栅极长度

但是，事实果真如此吗？

这些数字里面隐藏着一个极大的隐情。

我们来看一张图：

大约从20世纪60年代到90年代末，节点的命名是基于它们的栅极长度命名的。IEEE的此图表显示了以下关系。

栅极长度（gate length）和半节距（芯片上两个相同特征之间的距离的一半）匹配工艺节点名称，这个其实0.5um，0.35um，0.25um的一些命名的原因。

但是在28nm以下，由于采用finfet这些新的技术，这些和实际的节点和栅极长度，以及半节距（half-pitch）就匹配不上了

如果保持节点名称和实际特征尺寸同步，就会如红线所示。

2015年前，芯片制造的最小工艺尺寸就会跌破1nm。

而实际上，厂家暗渡陈仓了，

而实际上，整个工艺曲线更接近蓝线所示。

你以为的7nm，5nm，早已不是原来指的栅极长度（gate length），或者（half-pitch）半节距。

那这个7nm，5nm怎么来的。

画大饼来的！

画大饼，这个你是不是比较熟。

公司的老板最擅长搞这个，画大饼，或者叫画路线图（roadmap）。

老板说：未来三年每年增长一倍，今年销售额1亿，10年后就成为销售千亿公司。

关键是，这玩意不能这么算，按照这么算，几十年后，地球都成为你们公司的，你们销售额也完不成。

那么芯片制造的大饼，或者（roadmap）是怎么画出来的？

由于半导体制造涉及巨大的资本支出和大量的长期研究。从论文中引入新技术方法到大规模商业制造的平均时间约为10-15年。

几十年前，半导体行业认识到，如果有一个节点介绍的总体路线图以及这些节点将针对的功能尺寸，这将对参与芯片流程的每个单位都用导引作用。

也就是说，比如，2025年，我们画个大饼要搞1nm，那么，这个时候所需要光刻设备厂家，刻蚀设备厂家，材料厂家，研究机构等等，都要瞄准这个目标来做。

这个路线图，主要是“为大学、财团和行业研究人员提供未来的主要参考，以刺激各个技术领域的创新”。

也就是说，要给芯片制造从业者画一个大饼。

多年来，国际半导体技术路线图（ITRS）发布了该行业的总体路线图。这些路线图延续了15年，为半导体市场设定了总体目标。

ITRS就是画大饼的人！

那如何画这个大饼（roadmap）？

当然是摩尔定律，也就是本文第一部分介绍的那样。

摩尔定律这个就是这么粗暴。

一直从几百nm，干到5nm或者3nm。

关键是，数学可以这么算，物理能这么搞吗？

这么搞，是不是有点太草率了。

04营销手段：宝马5系和5nm

不久之后， ITRS（国际半导体技术路线图）这个组织也明白了，这么搞是不行的。

不能把栅极长度（gate length）或半节距（half-pitch）与节点大小联系起来的原因是：

因此这些尺寸要么停止缩放，要么缩放得更慢了。

粗暴的乘以0.7还能指望晶体管能工作。

这种晶体管，工业界制造不出来。

于是，在2010年，ITRS将每个节点上的技术，统称为“等效缩放”。

也就是说，不用实际对应上，你觉得差不过就行。

也就是说，7nm，5nm，早已不是原来指的栅极长度（gate length），或者（half-pitch）半节距。

这种改变，反应了芯片制造业的现状：

台积电的Philip Wong在Hot Chips 31主旨演讲中说：“它过去是技术节点，节点编号，意味着一些东西，晶圆上的一些功能。”

但是：“今天，这些数字只是数字。它们就像汽车模型——就像宝马5系或马自达6。数字是什么并不重要，它只是下一项技术的目的地，它的名称。因此，我们不要把节点的名称与技术实际提供的相混淆。”

画重点：不要把节点的名称和技术实际相混淆

5nm，7nm这些和宝马5，马自达6没有什么区别。

这些只是营销的手段而已。

不是大众要把这个名字相混淆。

而是这些芯片制造厂商，搞这些营销词汇，不就是想混淆工艺制程的节点和晶体管的实际尺寸吗?

虽然摩尔定律这艘大船进入浅水区，快搁浅了。

让我们一起晃动这艘大船，假装摩尔定律启示的那样继续前进，

所以英特尔就有人提出来了。

不要扯，5nm，7nm了，直接比拼一下单位面积晶体管的数量好了。

下面就是这个公式：

英特尔的芯片制造专家Mark Bohr提出来的， 它认为每个芯片制造商在提及工艺节点时，都应披露其逻辑晶体管密度，单位为MTr/mm2（每平方毫米数百万个晶体管）

这个也就是解释了，为什么英特尔的10nm和台积电的7nm，虽然看起来是两代，但是二者的晶体管密度基本一样。

但是，这个公式太复杂了。

怎么可能有7nm，5nm对大众的宣传效果好。

但是，实话实说，英特尔本身自己在命名方案里面，也没有真正遵循栅极长度（gate  length）的模型。

从下表来看，随着工艺的进步，玩家越来越少了。

高端玩家就剩下了台积电和三星，还有一直要追赶的英特尔。

明年，三星和台积电的3nm都号称要量产。

但是这一次，我们应该知道，这个只是一代工艺代号而已，和3nm本身没有太大的关系了。

从7nm，5nm，到3nm。

摩尔定律不死。

只是，

步履蹒跚，垂垂老矣。

引用文献：

1：Technology Node - WikiChip

2：How Are Process Nodes Defined? - ExtremeTech

3:  TSMC’s 7nm, 5nm, and 3nm “are just numbers… it doesn’t matter what the number is” | PCGamesN

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