芯耀
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小編語：在半導(dǎo)體廠商大呼市場不景氣，PC 市場疲軟，智能手機(jī)增長遲緩，宏觀經(jīng)濟(jì)整體不確定性增強(qiáng)的背景下，晶圓代工市場總營收卻仍一路看漲，2015 年最新數(shù)據(jù)還沒公布，但這之前全球代工廠連續(xù) 3 年保持 16%的總營收增長，不管制程工藝是否能順利向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)演進(jìn)，半導(dǎo)體廠商的代工需求仍然存在，而且半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)總市場容量仍在不斷增長，如果英特爾要真的開放自己的晶圓廠來做代工我們也可以理解……
當(dāng)有新處理器發(fā)布時(shí)，制造商都會(huì)大肆渲染自家產(chǎn)品的厲害之處。其中制程工藝是除了性能之外他們最注重的，比如更先進(jìn)制程、更小的納米等等。目前處理器主要分 PC 領(lǐng)域的 x86 架構(gòu)以及移動(dòng)數(shù)碼領(lǐng)域的 ARM 架構(gòu)。但是它們都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是注重制程工藝。我們以往介紹處理器的時(shí)候，一般都是一筆帶過。今天我們就詳細(xì)介紹下制程工藝以及各個(gè)半導(dǎo)體巨頭的研發(fā)實(shí)力。
●關(guān)于制程工藝，你想知道的
目前制程已經(jīng)發(fā)展到 nm（納米）級別
我們知道談一個(gè) CPU 的制程工藝都用一個(gè)量化單位來形容或者對比。比如 Skylake 的 CPU 采用了 14nm 制程工藝、曾經(jīng)引起巨大爭議的蘋果 A9 CPU 就采用了兩種代工廠，一種是三星代工的 14nm 制程、另一種是臺(tái)積電 16nm 制程。
制程是指 IC 內(nèi)電路與電路之間的距離
可見，制程的單位是納米（以前曾用過微米），我們天天說這個(gè)距離單位，但是這個(gè)距離單位的含義是什么呢？那就是指 IC 內(nèi)電路與電路之間的距離。處理器內(nèi)的微型電子元件（包括晶體管、電容器、電阻器等）躺在方形網(wǎng)格中充當(dāng)著打開、關(guān)閉按鈕。電子元件之間的距離就是用納米來計(jì)算。我們都知道，一納米等于十億分之一米。電子元件彼此之間的距離越小，我們在芯片中放置的東西就越多。同時(shí)同樣晶體管數(shù)目的 DIE 面積會(huì)降低。
所以，我們看到 Geforce GTX 680 雖然晶體管數(shù)目比 GTX 580 多，但是芯片面積卻只有后者的一半多一點(diǎn)，這就是從 40nm 制程工藝大幅度進(jìn)化到 28nm 的好處。
制程進(jìn)化的好處：晶體管更多，核心面積更小
同時(shí)，制程工藝的進(jìn)步也帶來了理論上功耗的降低。相信大家都在問為什么了，那是因?yàn)樘嵘瞥?，可縮小微處理器電子元件距離。將導(dǎo)致不同晶體管終端電流容量降低，這樣就會(huì)提升他們的交換頻率。每個(gè)晶體管在切換電子信號(hào)時(shí)，其所消耗的動(dòng)態(tài)功耗直接與電流容量相關(guān)。所以，制程工藝提升（距離變短）了，同一頻率下需求的電流容量降低，耗時(shí)也降低，這樣晶體管就變得運(yùn)行速度快、且能耗小。
臭名昭著的 Intel 90nm 制程
當(dāng)然了，我們加了一個(gè)理論上的修飾詞，因?yàn)橹挥性谕燃軜?gòu)條件下才有這個(gè)區(qū)分。比如臭名昭著的 Intel 90nm 制程讓 Prescott 架構(gòu)處理器被貼上火爐的標(biāo)簽，相比 130nm 工藝不進(jìn)則退。原因大家都知道了，就是 Intel 的優(yōu)化不足，導(dǎo)致了電壓在四方形中發(fā)生泄漏，比起平時(shí)花了更多的電壓來激活通電，于是導(dǎo)致了功耗以及熱量的提升。
按照這套乘法，晶體管單價(jià)會(huì)隨著制程進(jìn)化而降低，并且降價(jià)幅度越大
我們知道，芯片業(yè)界有一則著名的理論，那就是摩爾定律。與其說它與半導(dǎo)體技術(shù)息息相關(guān)，不如說它是一則經(jīng)濟(jì)理論。半導(dǎo)體巨頭們?yōu)楹芜@么喜歡研發(fā)更先進(jìn)制程？微型電子元件越小，你在晶片所放置的元件就越多。如果你掌握了比同行更加先進(jìn)的制程，那么在同一面積的晶圓中你就能切割更多數(shù)目更小體積的芯片。所以，芯片越小，大成本會(huì)越低。盡管更小工藝尺寸需要更多昂貴設(shè)備，但這些投資成本會(huì)被每個(gè)晶片成本所抵消。
說完了一大堆理論，大家明白了制程工藝了嗎？下面，我們就簡單介紹下各個(gè)半導(dǎo)體巨頭關(guān)于制程工藝的研發(fā)實(shí)力。
●各大半導(dǎo)體巨頭制程工藝發(fā)展近況（一）
●Intel
毫無疑問，Intel 是半導(dǎo)體工業(yè)的技術(shù)霸主，是先進(jìn)制程技術(shù)的帶頭人。
十年來 Intel 高端 CPU 核心面積的變化
這些年來，Intel 一直堅(jiān)持 Tick-Tock 發(fā)展模式，新工藝、新架構(gòu)每年交替到來，從趨勢曲線上也可以清晰地看出，每一次升級工藝，核心面積都會(huì)驟然縮小，之后再隨著規(guī)模的擴(kuò)大而增大，如此往復(fù)循環(huán)。
14nm 讓 Intel 的 Tick-Tock 發(fā)展模式失效
我們知道，Intel 發(fā)展到 Haswell 后 Tick-Tock 發(fā)展模式就開始顯得有名無實(shí)了，那是因?yàn)樾鹿に嚟h(huán)節(jié)出了問題，也就是在 14nm 上碰了壁。
原本 2013 年見面的 14nm 制程拖到了 2014 年年底
14nm 制程工藝的 Skylake 四核處理器，可見 DIE 面積之小
按照 Intel 內(nèi)部的預(yù)期，2013 年底或 2014 年初，14nm 工藝就能登場，結(jié)果因?yàn)楣に嚾毕菀煌显偻?，直?2014 年下半年才登場，而且是拖拖拉拉，最初只有超低功耗版本的 Core M 系列，然后是低功耗的 U 系列，進(jìn)入 2015 年中了才算鋪開，桌面上更是剛推出僅僅兩款 K 版本應(yīng)付了事。幸好，到了 2016 年的開頭，14nm 終于伴隨著全系列六代酷睿的推出，得到了被廣泛認(rèn)識(shí)的機(jī)會(huì)。
10nm 將會(huì)不斷跳票？
至于 14nm 制程的繼任者，10nm 制程，都不知道到猴年馬月了。有意思的是，如果按照早些年的規(guī)劃，10nm 2015 年底就該上場了，結(jié)果再次遭遇不幸，看來和 14nm 當(dāng)初的境遇差不多。
在 K10 或者之前的時(shí)代，AMD 原本有自己的晶圓廠，直到 45nm 制程時(shí)代 AMD 都是自給自足的。但是半導(dǎo)體制造是高投資高技術(shù)高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，需要大量投資，雙線作戰(zhàn)乏力的 AMD 之后就玩不起了，將晶圓廠與自身業(yè)務(wù)分離，隨后獲得了中東石油土豪阿聯(lián)酋的阿布扎比投資公司的青睞，這才有了現(xiàn)在的 GlobalFoundries 公司，中文名叫格羅方德。
GlobalFoundries 公司
32nm 制程成為了 AMD CPU 的黑歷史
AMD FX 家族成為了 GF 的犧牲品
不過，就是這個(gè) GF，在推土機(jī)時(shí)代就狠狠地坑了 AMD 一把，加上 AMD 自身在高端 CPU 市場不給力，低性能、高發(fā)熱，感人的火爐讓 AMD 在高端市場全面潰敗。不爭氣的“女朋友“，讓 AMD 的 CPU 制作工藝一直停留在 32nm。幸好 GPU 部門早已看破一切，選擇與臺(tái)積電合作研發(fā) 40nm、28nm 制程以及下一代顯卡的 1xnm 制程，才避過 GF 這個(gè)豬隊(duì)友。
胎死腹中的 14nm XM
經(jīng)過重新振作的 GlobalFoundries，這兩年不斷跟上業(yè)界的腳步，擁有 28nm、22nm SOI 及 14nm FinFET（鰭式場效應(yīng)晶體管）工藝。但是雷聲大、雨聲小，22nm SOI 工藝量產(chǎn)不順，自己研發(fā)的 14nm XM 工藝折騰了兩年也給放棄了。
三星與 GF 達(dá)成了深度戰(zhàn)略性合作關(guān)系，一定程度上解放了 AMD
GF 獲得了三星的 14nm FinFET 工藝授權(quán)
幸好三星伸出了援手，讓 GF 獲得了三星的 14nm FinFET 工藝授權(quán)，過著寄人籬下的生活。如今三星的 14nm 工藝這都已經(jīng)在蘋果 6s 家族安家了（雖然后來帶來了很大爭議），而 GF 公司的 14nm FinFET 工藝將會(huì)在被譽(yù)為救世主的 Zen 架構(gòu)中得到實(shí)踐。相信有著移動(dòng)數(shù)碼領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)，這次 GF 不會(huì)再坑爹了吧！
因?yàn)?NVIDIA 沒有自己的晶圓廠，所以，即使你是老黃的忠實(shí)粉絲，請看臺(tái)積電的條目吧！
●各大半導(dǎo)體巨頭制程工藝發(fā)展近況（二）
●臺(tái)積電
不黑不吹，無論是紅色”核彈“還是綠色”核彈“，目前全世界的”核彈“都是從臺(tái)積電（TSMC）出來的。
臺(tái)積電
這句話代表了臺(tái)積電在 GPU 領(lǐng)域的崇高地位。我們知道，為了獲得更大的產(chǎn)能，并提高利潤率，世界上兩大顯示技術(shù)廠商 NVIDIA 和 AMD 都采用了自主設(shè)計(jì) GPU 芯片，外包給晶圓廠制造，并將芯片成品出售給授權(quán)的顯卡生產(chǎn)商加工成顯卡成品的商業(yè)模式。臺(tái)積電，成為了他們最可靠的合作伙伴。
AMD GPU 與臺(tái)積電的合作到 28nm 戛然而止
作為中國臺(tái)灣最成功的企業(yè)，臺(tái)積電無論產(chǎn)能還是良品率都是業(yè)內(nèi)首屈一指的，尤其是活躍了 4 年之久的 28nm 制程，讓 NVIDIA 獲益甚多，Maxwell 成為性能功耗比的標(biāo)兵，就是直接受益于 28nm 的極致優(yōu)化；也讓 AMD 直接擺脫了 GF 的坑隊(duì)友。再數(shù)數(shù)臺(tái)積電 28nm 的其他客戶：蘋果、博通、英飛凌、聯(lián)發(fā)科、高通、瑞薩、三星電子、意法半導(dǎo)體、德州儀器……都不是省油的燈啊。
臺(tái)積電代工的芯片巨頭桃李滿天下
在臺(tái)積電 28nm 的巔峰時(shí)期，想找臺(tái)積電用 28nm 生產(chǎn)線給你造點(diǎn)芯片可不容易，交貨時(shí)間最長達(dá)到了 16 個(gè)星期，也就是在下單之后，最長你得等將近四個(gè)月才能拿到貨……可見其火爆程度。
蘋果 A8 處理器由臺(tái)積電代工
不僅僅在 PC 領(lǐng)域的榮耀，臺(tái)積電對蘋果、高通等移動(dòng)芯片商影響力巨大。比如，2014 年初，臺(tái)積電搶先上馬 20nm 工藝，并成功爭取到蘋果 A8 處理器全球唯一代工廠超級大單，使當(dāng)年第四季度的凈利潤增長了近一倍。2015 年，Apple A9 的芯片門事件讓臺(tái)積電的 16nm FinFET 工藝一炮而紅。
AMD 的推出，臺(tái)積電在 GPU 只剩下 NVIDIA
如今，半導(dǎo)體進(jìn)入了 FinFET 工藝時(shí)代。PC 領(lǐng)域，臺(tái)積電也不再一家獨(dú)大，雖然與 Intel 井水不犯河水，但是三星以及和三星聯(lián)姻后的 GF 在 14nm FinFET 工藝異軍突起，加上讓臺(tái)積電不再成為唯一選擇。AMD 近期宣布了下一代 CPU 架構(gòu) Zen、GPU 架構(gòu)“北極星”，并明確表示基于 GF 14nm 工藝制造。幸好保持了十多年合作關(guān)系的 NVIDIA 依然不離不棄，下一代的帕斯卡架構(gòu)確定采用了臺(tái)積電 16nm FinFET 工藝。
帕斯卡架構(gòu)采用了臺(tái)積電 16nm FinFET 工藝
不過由于臺(tái)積電 16nm FinFET 工藝在 2015 年年初遭遇不順，所以 NVIDIA 也只能將帕斯卡”猶抱琵琶半遮面“，我們甚少見到實(shí)物出現(xiàn)。經(jīng)歷多次教訓(xùn)后的 NVIDIA 也十分謹(jǐn)慎，表示今年上半年就會(huì)投入大規(guī)模量產(chǎn)，下半年才陸續(xù)發(fā)布。比以往同樣 28nm 制程時(shí)代的顯卡更替，間隔更長。
至于臺(tái)積電的 2016 年，旗下的 10nm 將于今年第一季度流片，今年第四季度進(jìn)入量產(chǎn)，此舉將領(lǐng)先三星半年的時(shí)間，一舉挽回 16nm 延期的頹勢。讓我們拭目以待。
三星
其實(shí)三星是半導(dǎo)體領(lǐng)域的霸主，為什么這么說呢？從 2015 年度全球半導(dǎo)體廠商產(chǎn)能排行看到，三星遙遙領(lǐng)先，平均月產(chǎn)能達(dá) 253.4 萬塊等效 200 毫米晶 圓，年增 8％，市場份額 15.5％。這時(shí)因?yàn)槿堑陌雽?dǎo)體業(yè)務(wù)很豐富，涵蓋了處理器、內(nèi)存、閃存等不同類型，特別是后面兩種產(chǎn)量巨大。不過篇幅限制，我們 只談處理器的。
2015 年度全球半導(dǎo)體廠商產(chǎn)能排行
三星處理器靠 Exynos 移動(dòng)處理器發(fā)家
一開始，三星研發(fā)的處理器都是自產(chǎn)自用的，隨著三星 ARM 處理器名聲越來越響，三星的工藝制程備受關(guān)注。目前，三星主打 14nm FinFET 工藝，基于 20nm 工藝平臺(tái)而來，除了繼續(xù)縮小柵極間距之外，晶體管首次從平面型轉(zhuǎn)向三維立體型，并且是全耗盡式的(fully depleted)，還沿用了 20nm 上的可靠互連機(jī)制。
三星搶到了高通驍龍 820 的大訂單
相比接連不順的臺(tái)積電 16nm FinFET 工藝，2015 年三星的 14nm FinFET 卻非常順利，使得三星搶回了蘋果 A9 的訂單，和臺(tái)積電占半壁江山。高通也轉(zhuǎn)而去找韓國巨頭玩了，最新的驍龍 820 就是三星的 14nm FinFET 的最新力作。
14nm FinFET
除了原有的移動(dòng)領(lǐng)域，三星的工藝制成更拓展到桌面領(lǐng)域。2014 年，三星就和 GlobalFoundries 深度合作，共同開發(fā) 14nm FinFET。這一舉措直接改變了 GF 以及 AMD CPU 領(lǐng)域的命運(yùn)，撥亂反正。2016 年，AMD 更是準(zhǔn)備將全系列產(chǎn)品線全面轉(zhuǎn)交給自己嫡系的 GF。
臺(tái)積電與三星恩怨不斷
有意思的是，三星和臺(tái)積電在 FinFET 工藝時(shí)代還發(fā)生了摩擦。在 2015 年，前臺(tái)積電主管梁孟松跳槽三星，后續(xù)法院證實(shí)三星非法從臺(tái)積電獲取了商業(yè)資料。之前在 FinFET 工藝方面，臺(tái)積電一直領(lǐng)先于三星。但是當(dāng)梁孟松進(jìn)入三星的半導(dǎo)體部門之后，雙方之間的工藝水準(zhǔn)差被迅速抹平，三星也因此在爭奪 A9 芯片訂單中掌握了主動(dòng)權(quán)。最后這事還是因?yàn)樽C據(jù)不足加上蘋果 A9 處理器訂單比例已分配而不了了之。
制程工藝的極限在哪里？
我們知道，目前最先進(jìn)的制程就是 14nm。隨著半導(dǎo)體工業(yè)追求的制程越來越先進(jìn)，量級遲早會(huì)步入量子級別的，到時(shí)會(huì)出現(xiàn)量子效應(yīng)，導(dǎo)致原子之間的相互影響。所謂的電路就不是單純的電路了，其工作原理和常規(guī)物理電路完全不同，其中“量子遂穿”效應(yīng)就是其中之一。
硅遲早迎來末日？
其實(shí)大家不用考慮那么多，反正就是為了說明一個(gè)半導(dǎo)體工業(yè)恐懼的事實(shí)：CPU 的制程極限是 1nm。當(dāng)線寬大概在 1nm 量級的時(shí)候，電子無法用經(jīng)典圖像描述。此時(shí)，CPU 必須放棄使用硅做半導(dǎo)體了。
碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖：單個(gè)原子層卷起形成，相當(dāng)于人類頭發(fā)寬度的千分之一
即使硅工藝快將走到盡頭，未來仍可能有多種替代方案來接替硅的位置，并使摩爾定律繼續(xù)延續(xù)下去。事實(shí)上，硅的替代材料還有多種，如 IBM 致力研究的碳納米管等。
HBM 技術(shù)會(huì)用到 CPU 嗎？
此外也可以另辟蹊徑，在使用現(xiàn)有工藝的情況下來提高單位面積下晶體管的集成數(shù)量。比如 2.5D、3D 堆疊等方案，目前在 SSD 3D NAND、HBM 顯存等已有成功應(yīng)用。不過，發(fā)熱問題得要好好想想。在未來甚至還可能有光子計(jì)算、量子計(jì)算、DNA 計(jì)算等顛覆摩爾定律的超級計(jì)算機(jī)出現(xiàn)。
也許這種高技術(shù)離我們很遠(yuǎn)，我們不需要擔(dān)心，因?yàn)橛腥艘呀?jīng)幫我們擔(dān)心、幫我們摸索解決這個(gè)擔(dān)心的辦法。希望如此。
