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摩爾定律并未終結(jié)!撥開(kāi)迷霧看制程節(jié)點(diǎn)命名的貓膩

作者: 時(shí)間:2017-09-04 來(lái)源:芯智訊 收藏
編者按:經(jīng)濟(jì)效益使摩爾定律成為全球經(jīng)濟(jì)的根本動(dòng)力,使人們能夠相互連接、進(jìn)行娛樂(lè)和學(xué)習(xí),而現(xiàn)在逐一實(shí)現(xiàn)全新的制程節(jié)點(diǎn)變得愈加困難,成本也更加昂貴。

  最近以來(lái),我們耳聞了關(guān)于的許多討論。不幸的是,其中大部分觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。有人說(shuō),不再重要了,并認(rèn)為它純粹是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題,或者只是幾家巨頭間的競(jìng)賽。還有人說(shuō),除了某幾個(gè)特定領(lǐng)域,遵循已讓成本太過(guò)高昂。更有人說(shuō),摩爾定律已死。真相究竟是什么?讓我們來(lái)厘清事實(shí)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201709/363821.htm

  摩爾定律并未終結(jié)

  首先,摩爾定律至關(guān)重要。

  摩爾定律使計(jì)算得以普及。它是一個(gè)非常強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)學(xué)定律:按照特定節(jié)奏推動(dòng)半導(dǎo)體制造能力的進(jìn)步,我們就可以降低任何依賴于計(jì)算的商業(yè)模式的成本。想象一下,如果其它行業(yè)以摩爾定律的速度進(jìn)行創(chuàng)新——性能每?jī)赡攴环?,那?huì)發(fā)生什么?汽車(chē)能效:現(xiàn)在只需一加侖汽油,即可行駛相當(dāng)于地球和太陽(yáng)之間的距離;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力:現(xiàn)在只用一平方公里土地,即可養(yǎng)活全部地球人;太空旅行:速度現(xiàn)在可以提升至300倍光速。

  歸根結(jié)底,這些經(jīng)濟(jì)效益使摩爾定律成為全球經(jīng)濟(jì)的根本動(dòng)力,使人們能夠相互連接、進(jìn)行娛樂(lè)和學(xué)習(xí)。通過(guò)逐年提升計(jì)算力,世界各地的創(chuàng)新者可以多快好省地利用計(jì)算演進(jìn)周期來(lái)解決全球范圍內(nèi)的重大問(wèn)題,從而讓生活更美好。

  其次,在當(dāng)今世界,僅有幾家公司有能力實(shí)現(xiàn)摩爾定律的效益。

  逐一實(shí)現(xiàn)全新的節(jié)點(diǎn)變得愈加困難,成本也更加昂貴。僅僅是把設(shè)備安裝到已有晶圓廠中,就要花費(fèi)70億美元。這也意味著半導(dǎo)體制造業(yè)將繼續(xù)整合,因?yàn)樵絹?lái)越少的公司能承擔(dān)得起推進(jìn)摩爾定律的成本。英特爾每年都讓產(chǎn)品價(jià)格更低、性能更強(qiáng)。推進(jìn)摩爾定律的能力是我們的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

  第三,摩爾定律帶來(lái)的不是一場(chǎng)競(jìng)賽。

  在整個(gè)產(chǎn)業(yè)界確立高標(biāo)準(zhǔn)需要不同公司通力協(xié)作,因?yàn)樾g(shù)業(yè)有專攻。英特爾過(guò)去、現(xiàn)在與未來(lái)都是摩爾定律的引領(lǐng)者。目前,我們?cè)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/制程">制程技術(shù)上擁有三年左右的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

  英特爾的引領(lǐng)地位在新聞報(bào)道中似乎不太顯著。16納米、14納米、10納米、7納米,看起來(lái)像是一場(chǎng)賽馬。問(wèn)題在于,這些節(jié)點(diǎn)數(shù)字曾經(jīng)有著真實(shí)的物理意義,但現(xiàn)在已不是那么回事了。我們需要有一個(gè)指標(biāo)來(lái)描述某種制程的性能,為芯片設(shè)計(jì)者展現(xiàn)可用的晶體管密度。英特爾制程專家馬博(Mark Bohr)在我們第一屆“技術(shù)與制造日”活動(dòng)中就描述了這樣一個(gè)指標(biāo)。

  這給我們提出了一個(gè)大疑問(wèn):摩爾定律是否會(huì)終結(jié)?我們已經(jīng)看到,摩爾定律不會(huì)因?yàn)闊o(wú)用而結(jié)束,它的進(jìn)步也不會(huì)因?yàn)榻?jīng)濟(jì)效益不足而受阻。但物理學(xué)方面呢?摩爾定律是否會(huì)導(dǎo)致晶體管最終比原子還小?

  誠(chéng)然,有一天我們可能會(huì)達(dá)到物理極限,但目前還看不到終點(diǎn)。記得在1990年,當(dāng)晶圓上的晶體管大小達(dá)到用以印刷它們的光的波長(zhǎng)(193納米)時(shí),物理學(xué)界明確指出:我們不能再向前推進(jìn)了。

  但是我們突破了那個(gè)挑戰(zhàn):我們使用掩模圖形產(chǎn)生的干涉光柵進(jìn)行印刷,開(kāi)發(fā)了計(jì)算型光刻技術(shù)和多重曝光?;叵肫饋?lái),193納米甚至稱不上是減速帶,我們目前的制程比當(dāng)時(shí)還要小20倍。這得益于我們持續(xù)的創(chuàng)新。比如目前在14納米制程中使用的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)和超微縮技術(shù)(hyper scaling)。升級(jí)版的超微縮技術(shù)已應(yīng)用在我們即將量產(chǎn)的10納米制程,而得益于這一新的工藝突破,我們可以維持每百萬(wàn)晶體管的成本不變。

  這一切是如何實(shí)現(xiàn)的?一如既往,英特爾通過(guò)發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)所在,各個(gè)擊破解決問(wèn)題,不斷突破各種障礙。最近,我們又迎來(lái)必須盡快突破的一個(gè)具體挑戰(zhàn),那就是7納米制程。進(jìn)而我們發(fā)現(xiàn),這些挑戰(zhàn)可能有多種備選解決方案。我們努力嘗試所有可能方案,直到找到一個(gè)最有效的方法。英特爾一直要求自己前瞻三代制程,這意味著要提前看到7到9年后的技術(shù)。目前,我們已著眼7納米和5納米制程。我們可能還無(wú)法確切知道哪種方案最適合5納米,但在這些挑戰(zhàn)中,英特爾矢志創(chuàng)新,生生不息。

  我們對(duì)未來(lái)的信心不只限于制程研發(fā),也包括我們獨(dú)一無(wú)二的設(shè)計(jì)和制造的整合優(yōu)勢(shì),這讓我們?cè)趶?fù)雜的情況下加速創(chuàng)新發(fā)展,為客戶持續(xù)提供領(lǐng)先的產(chǎn)品。

  所以,摩爾定律在任何可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)都不會(huì)終結(jié)。我們將繼續(xù)把新的制程工藝投入生產(chǎn),并做好準(zhǔn)備迎接不斷增長(zhǎng)的代工業(yè)務(wù)。事實(shí)上,英特爾還推出了一項(xiàng)新的代工服務(wù):超低功耗22納米FinFET制程(22FFL)。我們一直在進(jìn)步,英特爾作為行業(yè)和技術(shù)的引領(lǐng)者,將在改進(jìn)人們的生活方面繼續(xù)發(fā)揮重要作用。

  制程節(jié)點(diǎn)命名的規(guī)則

  英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾在半世紀(jì)前提出的摩爾定律,是指每代制程技術(shù)都要讓芯片上的晶體管數(shù)量翻一番??v觀芯片創(chuàng)新歷史,業(yè)界一直遵循這一定律,并按前一代制程的0.7倍對(duì)新制程節(jié)點(diǎn)命名,這種線性升級(jí)正好帶來(lái)晶體管集成密度翻番。因此,出現(xiàn)了90納米、65納米、45納米、32納米——每一代制程節(jié)點(diǎn)都能在給定面積上,容納比前一代多一倍的晶體管。

  但是最近,也許是因?yàn)檫M(jìn)一步的制程升級(jí)越來(lái)越難,一些公司背離了摩爾定律的法則。即使晶體管密度增加很少,或者根本沒(méi)有增加,但他們?nèi)岳^續(xù)推進(jìn)采用新一代制程節(jié)點(diǎn)命名。結(jié)果導(dǎo)致制程節(jié)點(diǎn)名稱根本無(wú)法正確體現(xiàn)這個(gè)制程位于摩爾定律曲線的哪個(gè)位置。

  行業(yè)亟需一種標(biāo)準(zhǔn)化的晶體管密度指標(biāo),以便各個(gè)廠商公平競(jìng)爭(zhēng)??蛻魬?yīng)能夠隨時(shí)比較芯片制造商不同制程的產(chǎn)品,以及不同芯片制造商的同代產(chǎn)品。挑戰(zhàn)在于,半導(dǎo)體制程以及各種設(shè)計(jì)日益復(fù)雜。

  一種簡(jiǎn)單的指標(biāo)就是用柵極距(柵極寬度再加上晶體管柵極之間的間距)乘以最小金屬距(互連線寬度加上線間距),但是這并不包含邏輯單元設(shè)計(jì),而邏輯單元設(shè)計(jì)才會(huì)影響真正的晶體管密度。另一種指標(biāo)——柵極距乘以邏輯單元高度——是糾正上述缺陷而朝著正確方向邁出的一步。但是這兩種指標(biāo),都沒(méi)有充分考慮到一些二階設(shè)計(jì)規(guī)則。它們都不能真正衡量實(shí)際實(shí)現(xiàn)的晶體管密度,因?yàn)樗鼈兌紱](méi)有試圖說(shuō)明設(shè)計(jì)庫(kù)中不同類(lèi)型的邏輯單元。此外,這些指標(biāo)量化了比較上一代的相對(duì)密度,而真正需要的是給定面積(每平方毫米)內(nèi)的晶體管絕對(duì)數(shù)量。在另一種極端條件下,用一個(gè)芯片的晶體管總數(shù)除以面積毫無(wú)意義,因?yàn)榇罅吭O(shè)計(jì)決策都會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響——例如緩存大小和性能目標(biāo)等因素,都會(huì)導(dǎo)致這個(gè)值發(fā)生巨大變化。是時(shí)候讓我們重新啟用曾經(jīng)流行但一度“失寵”的一個(gè)指標(biāo)了,它基于標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元的晶體管密度,并包含決定典型設(shè)計(jì)的權(quán)重因素。盡管任何設(shè)計(jì)庫(kù)中都有各種標(biāo)準(zhǔn)單元,但是我們可以拿出一個(gè)普及的、非常簡(jiǎn)單的單元——2輸入 NAND單元(4個(gè)晶體管),以及一個(gè)更為復(fù)雜、但也非常常見(jiàn)的單元:掃描觸發(fā)器(SFF)。這能夠推導(dǎo)出之前接受的晶體管密度測(cè)量公式。

摩爾定律并未終結(jié)!撥開(kāi)迷霧看制程節(jié)點(diǎn)命名的貓膩

  (權(quán)重0.6和0.4反映一個(gè)典型設(shè)計(jì)中非常小和非常大的單元的比率)

  每個(gè)芯片制造商在提到制程節(jié)點(diǎn)時(shí),都應(yīng)披露用這個(gè)簡(jiǎn)單公式所測(cè)算出的MTr/mm2 (每平方毫米晶體管數(shù)量(單位:百萬(wàn)))單位中邏輯晶體管密度。逆向工程公司可隨時(shí)驗(yàn)證這個(gè)數(shù)據(jù)。

  還缺失一個(gè)重要的指標(biāo):SRAM單元尺寸。由于不同的芯片中有各種SRAM到邏輯比率,最好在NAND+SFF密度指標(biāo)旁邊,分別標(biāo)注SRAM單元尺寸。

  通過(guò)這些指標(biāo),我們可以撥開(kāi)迷霧,厘清制程節(jié)點(diǎn)命名的混亂狀況,從而專心致志推動(dòng)摩爾定律向前發(fā)展。



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