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2019年10月12日 | 英特爾vs臺積電,納米級別的戰(zhàn)斗

發(fā)布者:創(chuàng)意火花 來源: 半導體行業(yè)觀察關(guān)鍵字:英特爾  臺積電 手機看文章 掃描二維碼
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集成電路剛被發(fā)明出來的時候,當時的特征尺寸大概是10μm(10000nm),之后逐步縮小到了5μm、3μm、1μm、0.8μm、0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm,發(fā)展至今,臺積電已經(jīng)開始量產(chǎn)7nm+(采用EUV的7nm)的芯片了,明年還將量產(chǎn)5nm的。在這個過程當中,制程共經(jīng)歷了20幾代變革,未來幾年,3nm、2nm芯片也將實現(xiàn)量產(chǎn)。從5μm到5nm,實現(xiàn)了1000倍的變化,大概經(jīng)歷了40多年的時間。


人的頭發(fā)橫截面直徑大概是80μm,以采用28nm制程工藝的SRAM為例,可以在頭發(fā)的橫截面上放20735個這個樣的SRAM單元,隨著微縮技術(shù)的發(fā)展,在直徑為80μm的橫截面上,可以容納越來越多的SRAM單元了。這主要是由光刻工藝及其技術(shù)演進實現(xiàn)的。


然而,隨著特征尺寸的不斷微縮,逐漸達到了半導體制造設(shè)備和制程工藝的極限,眼下,集成電路的晶體管數(shù)量,以及功耗和性能已經(jīng)很難像過去40年那樣,幾乎一直在順暢地呈現(xiàn)出線性的發(fā)展態(tài)勢(也就是按照摩爾定律演進),而且,不但工藝難度越來越大,成本也高得嚇人,能夠提供10nm及更先進制程工藝芯片制造的廠商只剩下臺積電、三星和英特爾這三家。


在這三家中,真正引領(lǐng)摩爾定律向前演進的還是英特爾和臺積電這兩強,這兩家公司一直是摩爾定律的支持者,臺積電更是認為,半導體制程工藝可以按照摩爾定律,演進到0.1nm。而在這兩強當中,臺積電后來居上,在最近5年左右的時間里,在半導體制程工藝上一直壓英特爾一頭,不過,臺積電成立于1987年,而英特爾成立于1968年,且摩爾定律就是由英特爾創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾(Gordon Moore)于1965年提出來的。


因此,真正伴隨芯片制造和摩爾定律從誕生,到發(fā)展壯大,再到如今的緩慢前行,就是英特爾了,通過該公司的芯片發(fā)展歷程,以及制程節(jié)點的演進和晶體管數(shù)量的提升,可以對半導體工藝和摩爾定律的發(fā)展有一個直觀和系統(tǒng)的認識。


從第一款商用處理器到10nm芯片


1965年4月,《電子學》雜志(Electronics Magazine)第114頁發(fā)表了戈登·摩爾(時任仙童半導體公司工程師)撰寫的文章〈讓集成電路填滿更多的組件〉,文中預言半導體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年增加一倍,這也就是摩爾定律的雛形。


1975年,摩爾在IEEE國際電子組件大會上提交了一篇論文,根據(jù)當時的實際情況對摩爾定律進行了修正,把“每年增加一倍”改為“每兩年增加一倍”,而普遍流行的說法是“每18個月增加一倍”。但1997年9月,摩爾在接受一次采訪時聲明,他從來沒有說過“每18個月增加一倍”。


1968年,也就是摩爾提出摩爾定律最初版本后三年,他與朋友聯(lián)合創(chuàng)立了英特爾公司,該公司最初是以設(shè)計和生產(chǎn)存儲器為主,后來根據(jù)應(yīng)用和市場發(fā)展趨勢,逐步將業(yè)務(wù)重心轉(zhuǎn)移到了處理器上。


1971年,英特爾發(fā)布了世界第一塊商用微處理器4004,當時采用的是10μm制程工藝,使得該芯片上集成了2250個晶體管。


1979年,該公司又推出了處理器8086,采用了3μm制程工藝,使得該芯片上集成了29000個晶體管,較10μm工藝有了10幾倍的提升,這也是摩爾定律演進的首次價值體現(xiàn)。


1982年,英特爾推出了80286,采用1.5μm制程,晶體管數(shù)量達到了134000個。


1985年,該公司推出了著名的386系列處理器,將制程工藝節(jié)點提升到了1μm,這使得晶體管數(shù)量又猛增到275000個,與3μm相比,又提升了近10倍。


1989年,英特爾推出了486系列處理器,采用0.8μm制程,使得晶體管數(shù)量達到120萬個。


1993年,該公司推出了首款奔騰處理器,采用0.8μm制程,晶體管數(shù)量則提升到了310萬個。


1995年,推出了奔騰Pro,將制程工藝節(jié)點演進到了0.6μm~0.35μm,從而使得晶體管數(shù)量達到了550萬個。


2000年,該公司又推出了奔騰4系列處理器,采用了0.18μm制程,晶體管數(shù)量達到4200萬個。


2006年,推出了酷睿系列處理器,采用了65nm制程,晶體管數(shù)量突破了1億,達到1.51億個。


2010年,英特爾又推出了酷睿i7-980x,采用了32nm制程,晶體管數(shù)量突破了10億,達到11.7億個.


2015年,推出了酷睿i7-4960x處理器,采用了22nm制程,使得晶體管數(shù)量提升到了18.6億個。


發(fā)展到最近兩三年,英特爾處理器則以14nm為主要制程。


從2007年開始,英特爾在制程方面,進入了著名的“Tick-Tock”節(jié)奏,“Tick”代表制程工藝提升,而“Tock”代表工藝不變,芯片核心架構(gòu)升級。一個“Tick-Tock”代表完整的芯片發(fā)展周期,耗時兩年。


按照Tick-tock節(jié)奏,英特爾可以跟上摩爾定律的演進,大約每24個月可以讓晶體管數(shù)量翻一番。2015年,該公司宣布采用“架構(gòu)、制程、優(yōu)化” (APO,Architecture Process Optimization)的三步走戰(zhàn)略。這意味著每36個月,晶體管數(shù)量才會翻一番。


自2015年至今,英特爾已在14nm制程節(jié)點處停留約4年時間,從Skylake(14nm)、Kaby Lake(14nm+)、CoffeeLake(14nm++),一直在更新14nm制程。其10nm原計劃于2016年推出,但經(jīng)歷了多次推遲,直到今年才實現(xiàn)量產(chǎn)。


臺積電后來居上


與英特爾類似,臺積電跟隨摩爾定律的腳步一刻也沒有停歇,而且,臺積電憑借晶圓代工業(yè)務(wù)后來居上,贏得了智能手機時代蘋果、高通、華為海思等大客戶。臺積電于2015下半年量產(chǎn) 16nm FinFET工藝,這與英特爾的14nm量產(chǎn)時間基本同步。此后4年,英特爾反復升級14nm節(jié)點,10nm經(jīng)歷多次跳票。而臺積電則于2017年量產(chǎn)10nm工藝,并于2018年率先推出7nm工藝,從而在緊跟摩爾定律步伐方面,開始領(lǐng)先于英特爾。而英特爾10nm制程一再推遲,后段采用多重四圖案曝光(SAQP)良率較低可能是主要原因。


7nm方面,EUV是未來更先進制程不可或缺的工具,英特爾采用EUV雙重曝光技術(shù)已有提前布局,仍有望按原定計劃量產(chǎn),由于英特爾7nm節(jié)點不再面臨SAQP四重曝光技術(shù)難題,而是EUV雙重曝光,有望按原計劃,于2020年量產(chǎn)。


而從晶體管密度、柵極間距、柵極長度等指標來看,英特爾的14nm、10nm節(jié)點則要優(yōu)于臺積電,2014年,英特爾發(fā)布的14nm節(jié)點,每平方毫米3750萬個晶體管,臺積電16nm節(jié)點約為每平方毫米2900萬個晶體管。英特爾14nm節(jié)點柵極長度24nm,優(yōu)于臺積電的33nm。10nm方面,英特爾的晶體管密度為每平方毫米1.008億個,臺積電10nm節(jié)點晶體管密度為每平方毫米4810萬個。


目前來看,臺積電略占上風,未來發(fā)展,關(guān)鍵要看英特爾10nm量產(chǎn)進度。就目前已發(fā)布的技術(shù)信息來看,英特爾持續(xù)更新的14nm與臺積電的10nm處于同一量級,臺積電已量產(chǎn)的7nm制程顯著優(yōu)于英特爾14nm的。可見,臺積電在量產(chǎn)時間上略占上風,而實際技術(shù)儲備差別不大。


結(jié)語


英特爾與臺積電是摩爾定律演進的主要推動力量,而前者開創(chuàng)了該定律,并為其發(fā)展打下了基礎(chǔ),后者則后來居上,在商業(yè)模式占優(yōu)、且敢于重金投入的情況下,帶動了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但目前來看,摩爾定律顯然遇到了極大的挑戰(zhàn),或者說進入了窘境,作為其堅定支持者的英特爾和臺積電,也正在想著各種辦法延續(xù)這一定律。


關(guān)鍵字:英特爾  臺積電 引用地址:英特爾vs臺積電,納米級別的戰(zhàn)斗

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