制程工艺哪家强！看半导体巨头研发实力

　　【PConline 杂谈】当有新处理器发布时，制造商都会大肆渲染自家产品的厉害之处。其中制程工艺是除了性能之外他们最注重的，比如更先进制程、更小的纳米等等。目前处理器主要分PC领域的x86架构以及移动数码领域的ARM架构。但是它们都有一个共同点，那就是注重制程工艺。我们以往介绍处理器的时候，一般都是一笔带过。今天我们就详细介绍下制程工艺以及各个半导体巨头的研发实力。

●关于制程工艺，你想知道的

目前制程已经发展到nm（纳米）级别

　　我们知道谈一个CPU的制程工艺都用一个量化单位来形容或者对比。比如Skylake的CPU采用了14nm制程工艺、曾经引起巨大争议的苹果A9 CPU就采用了两种代工厂，一种是三星代工的14nm制程、另一种是台积电16nm制程。

制程是指IC内电路与电路之间的距离

　　可见，制程的单位是纳米（以前曾用过微米），我们天天说这个距离单位，但是这个距离单位的含义是什么呢？那就是指IC内电路与电路之间的距离。处理器内的微型电子元件（包括晶体管、电容器、电阻器等）躺在方形网格中充当着打开、关闭按钮。电子元件之间的距离就是用纳米来计算。我们都知道，一纳米等于十亿分之一米。电子元件彼此之间的距离越小，我们在芯片中放置的东西就越多。同时同样晶体管数目的DIE面积会降低。

　　所以，我们看到Geforce GTX 680虽然晶体管数目比GTX 580多，但是芯片面积却只有后者的一半多一点，这就是从40nm制程工艺大幅度进化到28nm的好处。

制程进化的好处：晶体管更多，核心面积更小

　　同时，制程工艺的进步也带来了理论上功耗的降低。相信大家都在问为什么了，那是因为提升制程，可缩小微处理器电子元件距离。将导致不同晶体管终端电流容量降低，这样就会提升他们的交换频率。每个晶体管在切换电子信号时，其所消耗的动态功耗直接与电流容量相关。所以，制程工艺提升（距离变短）了，同一频率下需求的电流容量降低，耗时也降低，这样晶体管就变得运行速度快、且能耗小。

臭名昭著的Intel 90nm制程

　　当然了，我们加了一个理论上的修饰词，因为只有在同等架构条件下才有这个区分。比如臭名昭著的Intel 90nm制程让Prescott架构处理器被贴上火炉的标签，相比130nm工艺不进则退。原因大家都知道了，就是Intel的优化不足，导致了电压在四方形中发生泄漏，比起平时花了更多的电压来激活通电，于是导致了功耗以及热量的提升。

按照这套乘法，晶体管单价会随着制程进化而降低，并且降价幅度越大

　　我们知道，芯片业界有一则著名的理论，那就是摩尔定律。与其说它与半导体技术息息相关，不如说它是一则经济理论。半导体巨头们为何这么喜欢研发更先进制程？微型电子元件越小，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进的制程，那么在同一面积的晶圆中你就能切割更多数目更小体积的芯片。所以，芯片越小，大成本会越低。尽管更小工艺尺寸需要更多昂贵设备，但这些投资成本会被每个晶片成本所抵消。

　　说完了一大堆理论，大家明白了制程工艺了吗？下面，我们就简单介绍下各个半导体巨头关于制程工艺的研发实力。

●各大半导体巨头制程工艺发展近况（一）

●Intel

　　毫无疑问，Intel是半导体工业的技术霸主，是先进制程技术的带头人。

十年来Intel高端CPU核心面积的变化

　　这些年来，Intel一直坚持Tick-Tock发展模式，新工艺、新架构每年交替到来，从趋势曲线上也可以清晰地看出，每一次升级工艺，核心面积都会骤然缩小，之后再随着规模的扩大而增大，如此往复循环。

14nm让Intel的Tick-Tock发展模式失效

　　我们知道，Intel发展到Haswell后Tick-Tock发展模式就开始显得有名无实了，那是因为新工艺边个环节出了问题，也就是在14nm上碰了个厚墙壁。

原本2013年见面的14nm制程拖到了2014年年底

 
14nm制程工艺的Skylake四核处理器，可见DIE面积之小

　　按照Intel内部自己的预期，2013年底或2014年初，14nm工艺就能登场，结果因为工艺缺陷一拖再拖，直到2014年下半年才登场，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，进入2015年中了才算铺开，桌面上更是刚推出仅仅两款K版本应付了事。幸好，到了2016年的开头，14nm终于伴随着全系列六代酷睿的推出，得到了被广泛认识的机会。

10nm将会不断跳票？

　　至于14nm制程的继任者，10nm制程，都不知道到猴年马月了。有意思的是，如果按照早些年的规划，10nm 2015年底就该上场了，结果再次遭遇不幸，看来和14nm当初的境遇差不多。

AMD

 
Global Foundries公司

　　在K10或者之前的时代，AMD原本有自己的晶圆厂，直到45nm制程时代AMD都是自给自足的。但是但半导体制造是高投资高技术高风险行业，需要大量投资，双线作战乏力的AMD之后就玩不起了，将晶圆厂与自身业务分离，随后获得了中东石油土豪阿联酋的阿比扎比投资公司的青睐，这才有了现在的Global Foundries公司，中文名叫格罗方德。

32nm制程成为了AMD CPU的黑历史

AMD FX家族成为了GF的牺牲品

　　不过，就是这个GF，在推土机时代就狠狠地坑了AMD一把，加上AMD自身在高端CPU市场不给力，低性能、高发热，感人的火炉让AMD在高端市场全面溃败。不争气的“女朋友“，让AMD的CPU制作工艺一直停留在32nm。幸好GPU部门早已看破一切，选择与台积电合作研发40nm、28nm制程以及下一代显卡的1xnm制程，才能避过GF的这个猪队友。

 
胎死腹中的14nm XM

　　经过重新振作的Global Foundries，这两年不断跟上业界的脚步，拥有28nm、22nm SOI及14nm FinFET（鳍式场效应晶体管）工艺。但是雷声大、雨声小，22nm SOI工艺量产不顺，自己研发的14nm XM工艺折腾了两年也给放弃了。

三星与GF达成了深度战略性合作关系，一定程度上解放了AMD

GF获得了三星的14nm FinFET工艺授权

　　幸好三星伸出了援手，让GF获得了三星的14nm FinFET工艺授权，过着寄人篱下的生活。如今三星的14nm工艺这都已经在苹果6s家族安家了（虽然后来带来了很大争议），而GF公司的14nm FinFET工艺将会在在被誉为救世主的Zen架构中得到实践。相信有着移动数码领域的成功经验，这次GF相信不再坑爹了吧！

NVIDIA

　　因为NVIDIA没有自己的晶圆厂，所以，即使你是老黄的忠实粉丝，请看台积电的条目吧！

●各大半导体巨头制程工艺发展近况（二）

●台积电

　　不黑不吹，无论是红色”核弹“还是绿色”核弹“，目前全世界的”核弹“都是从台积电（TSMC）出来的。

台积电

　　这句话代表了台积电在GPU领域的崇高地位。我们知道，为了获得更大的产能，并提高利润率，世界上两大显示技术厂商NVIDIA和AMD都采用了自主设计GPU芯片，外包给晶圆厂制造，并将芯片成品出售给授权的显卡生产商加工成显卡成品的商业模式。台积电，成为了他们最可靠的合作伙伴。

 
AMD GPU与台积电的合作到28nm戛然而止

　　作为台湾最成功的企业，台积电无论产能还是良品率都是业内首屈一指的，尤其是活跃了4年之久的28nm制程，让NVIDIA获益甚多，Maxwell成为性能功耗比的标兵，就是直接受益于28nm的极致优化；也让AMD直接摆脱了GF的坑队友。再数数台积电28nm的其他客户：苹果、博通、英飞凌、联发科、高通、瑞萨、三星电子、意法半导体、德州仪器……都不是省油的灯啊。

 
台积电代工的芯片巨头桃李满天下

　　在台积电28nm的巅峰时期，想找台积电用28nm生产线给你造点芯片可不容易，交货时间最长达到了16个星期，也就是在下单之后，最长你得等将近四个月才能拿到货……可见其火爆程度。

 
苹果A8处理器由台积电代工

　　不仅仅在PC领域的荣耀，台积电对苹果、高通等移动芯片商影响力巨大。比如，2014年初，台积电抢先上马20nm工艺，并成功争取到苹果A8处理器全球唯一代工厂超级大单，使当年第四季度的净利润增长了近一倍。2015年，Apple A9的芯片门事件让台积电的16nm FinFET工艺一炮而红。

AMD的推出，台积电在GPU只剩下NVIDIA

　　如今，半导体进入了FinFET工艺时代。PC领域，台积电也不再一家独大，虽然与Intel井水不犯河水，但是三星以及和三星联姻后的GF在14nm FinFET工艺异军突起，加上让台积电不再成为唯一选择。AMD近期宣布了下一代CPU架构 Zen、GPU架构“北极星”，并明确表示基于GF 14nm工艺制造。幸好保持了十多年合作关系的NVIDIA依然不离不弃，下一代的帕斯卡架构确定采用了台积电16nm FinFET工艺。

 
帕斯卡架构采用了台积电16nm FinFET工艺

　　不过由于台积电16nm FinFET工艺在2015年年初遭遇不顺，所以NVIDIA也只能将帕斯卡”犹抱琵琶半遮面“，我们甚少见到实物出现。经历多次教训后的NVIDIA也十分谨慎，表示今年上半年就会投入大规模量产，下半年才陆续发布。比以往同样28nm制程时代的显卡更替，间隔更长。

　　至于台积电的2016年，旗下的10nm将于今年第一季度流片，今年第四季度进入量产，此举将领先三星半年的时间，一举挽回16nm延期的颓势。让我们拭目以待。

三星

 
2015年度全球半导体厂商产能排行

　　其实三星是半导体领域的霸主，为什么这么说呢？从2015年度全球半导体厂商产能排行看到，三星遥遥领先，平均月产能达253.4万块等效200毫米晶圆，年增8％，市场份额15.5％。这时因为三星的半导体业务很丰富，涵盖了处理器、内存、闪存等不同类型，特别是后面两种产量巨大。不过篇幅限制，我们只谈处理器的。

 
三星处理器靠Exynos移动处理器发家

　　一开始，三星研发的处理器都是自产自用的，随着三星ARM处理器名声越来越响，三星的工艺制程备受关注。目前，三星主打14nm FinFET工艺，基于20nm工艺平台而来，除了继续缩小栅极间距之外，晶体管首次从平面型转向三维立体型，并且是全耗尽式的(fully depleted)，还沿用了20nm上的可靠互连机制。

 
三星抢到了高通骁龙820的大订单

　　相比接连不顺的台积电16nm FinFET工艺，2015年三星的14nm FinFET却非常顺利，使得三星抢回了苹果A9的订单，和台积电占半壁江山。高通也转而去找韩国巨头玩了，最新的骁龙820就是三星的14nm FinFET的最新力作。

 
14nm FinFET

　　除了原有的移动领域，三星的工艺制程更拓展到桌面领域。2014年，三星就和GlobalFoundries深度合作，共同开发14nm FinFET。这一举措直接改变了GF以及AMD CPU领域的命运，拨乱反正。2016年，AMD更是准备将全系列产品线全面转交给自己嫡系的GF。

台积电与三星恩怨不断

　　有意思的是，三星和台积电在FinFET工艺时代还发生了摩擦。在2015年，前台积电主管梁孟松跳槽三星，后续法院证实三星非法从台积电获取了商业资料。之前在FinFET工艺方面，台积电一直领先于三星。但是当梁孟松进入三星的半导体部门之后，双方之间的工艺水准差被迅速抹平，三星也因此在争夺 A9 芯片订单中掌握了主动权。最后这事还是因为证据不足加上苹果A9处理器订单比例已分配而不了了之。

制程工艺的极限在哪里？

　　我们知道，目前最先进的制程就是14nm。随着半导体工业追求的制程越来越先进，量级迟早会步入量子级别的，到时会出现量子效应，导致原子之间的相互影响。所谓的电路就不是单纯的电路了，其工作原理和常规物理电路完全不同，其中“量子遂穿”效应就是其中之一。

硅迟早迎来末日？

　　其实大家不用考虑那么多，反正就是为了说明一个半导体工业恐惧的事实：CPU的制程极限是1nm。当线宽大概在1nm量级的时候，电子无法用经典图像描述。此时，CPU必须放弃使用硅做半导体了。

碳纳米管结构示意图：单个原子层卷起形成，相当于人类头发宽度的千分之一

　　即使硅工艺快将走到尽头，未来仍可能有多种替代方案来接替硅的位置，并使摩尔定律继续延续下去。事实上，硅的替代材料还有多种，如IBM致力研究的碳纳米管等。

HBM技术会用到CPU吗？

　　此外也可以另辟蹊径，在使用现有工艺的情况下来提高单位面积下晶体管的集成数量。比如2.5D、3D堆叠等方案，目前在SSD 3D NAND、HBM显存等已有成功应用。不过，发热问题得要好好想想。在未来甚至还可能有光子计算、量子计算、DNA计算等颠覆摩尔定律的超级计算机出现。

　　也许这种高技术离我们很远，我们不需要担心，因为有人已经帮我们担心、帮我们摸索解决这个担心的办法。希望如此。