解析英特尔、台积电、三星 14-16 奈米的魔幻数字,三者製程真的差很大?

作者: 时间:2020-08-05E派生活636人已围观

解析英特尔、台积电、三星 14/16 奈米的魔幻数字,三者製程真的差很大?

近日合作媒体《天下杂誌》一篇〈台积电真的超越英特尔?大客户这样吐槽……〉讨论台积电、三星的技术节点数字恐怕做过美化的问题引起不小的关注,这样的问题其实在先前即为半导体业界所持续论战,并在苹果 A9 晶片门事件,iPhone 6s A9 处理器分由台积电、三星代工时讨论来到最高峰,以实际情况而言,台积电、三星製程技术真的跟英特尔差很大?

半导体三雄奈米製程到底在争什幺?

台积电、三星与英特尔的先进製程竞赛打得火热,在目前 14/16 奈米之后,製程战一路来到了 10 奈米。这些数字背后的意义其实指的是「线宽」,精确一点而言,就是金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)的闸极长度(Gate Length)。

场效电晶体用闸极来控制电流的通过与否,以代表 0 或 1 的数位讯号,也是整个结构中最细微、複杂的关键,当闸极可以缩小,电晶体体积也能跟着缩小,一来切换速度得以提升,每个晶片能塞入更多电晶体或缩小晶片体积;再者,当闸极长度愈小,闸极下方电子通道愈窄,之间的转换效率提升、能量的耗损也能降低,收减少耗电量之效,但当闸极太薄,源极与汲极距离愈靠近,电子也可能不小心偷溜过去产生漏电流,加以也有推动力不足的问题,这也是为何製程微缩难度愈来愈高;台积、英特尔与三星群雄间争的你死我活的原因。

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包含半导体晶片和系统还原工程与分析厂商 ChipWorks、Techinsights 与半导体分析厂商 Linley Group 都对台积电、三星、英特尔 16/14 奈米做过比较。

从 Linley Group 与 Techinsights 实际分析的结果,包含英特尔、台积电与三星在 14/16 奈米实际线宽其实都没达到其所称的製程数字,根据两者的数据,台积电 16 奈米製程实际测量最小线宽是 33 奈米,16 奈米 FinFET Plus 线宽则为 30 奈米,三星第一代 14 奈米是 30 奈米,14 奈米 FinFET 是 20 奈米,英特尔 14 奈米製程在两家机构测量结果分别为 20 奈米跟 24 奈米。

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调研 The Linley Group 创办人暨首席分析师 Linley Gwennap,在 2016 年 3 月接受半导体专业期刊 EETimes 採访时,也透露了晶圆代工厂间製程的魔幻数字秘密,Gwennap 指出,传统表示製程节点的测量标準是看闸极长度,但在行销的努力下,节点名称不再与实际闸极长度相符合,不过,差距也不会太大,Gwennap 即言,三星的 14 奈米约略等于英特尔的 20 奈米。Gwennap 认为,台积电与三星目前的製程节点仍落后于英特尔,以三星而言,14 奈米製程称作 17 奈米会较佳,而台积电 16 製程其实差不多是 19 奈米。

但美国知名财经部落格 The Motley Fool 技术专栏作家 Ashraf Eassa 从电子显微镜图来看,认为英特尔、三星甚至台积电在三者 14/16 奈米製程差距或许不大。Ashraf Eassa 对比英特尔 14 与 22 奈米,以及三星 14 奈米的电子显微镜图,其指出,英特尔 14 奈米侧壁的斜率要比 22 奈米垂直,根据官方的说法,这能使英特尔的散热鳍片(fin)更高更瘦,以提升效能。

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而三星 14 奈米製程电子显微镜图相较起来,和英特尔 14 奈米製程还比较相近,加以 Ashraf Eassa 用台积电宣称 16 奈米 FinFET Plus 能比三星最佳的 14 奈米技术在相同功率下,效能能比三星提升 10% 来推测,台积电 16 奈米 FinFET Plus 的晶体管结构应与三星相差不远,甚至鳍片(fin)会更加细长。

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然而,线宽并非衡量半导体製程的唯一条件,也并非半导体厂技术能力的唯一评定标準。

就像调研 International Business Strategies(IBS)创办人暨执行长 Handel Jones 所言,没有一项单一的测量方式就能评定技术的效能、功耗以及电晶体密度。Jones 进一步指出, M1 金属层间距是重要的,但局部互连(local interconnect)也可能影响晶片闸的密度与效能,闸极间距对闸极密度重要,但散热鳍片(fin)对性能影响同样甚鉅。

另外,耗电量的不只是闸极长度而已,包括:材料种类、元件结构、製程品质等等都会有影响。也因此,分析师们对英特尔、台积电、三星製程技术孰优孰劣仍是莫衷一是。Gwennap 认为,如同 14 奈米製程,英特尔 10 奈米製程同样会优于台积电和三星;Jones 觉得英特尔与台积电到了 10 奈米製程效能应能旗鼓相当;VLSI Research 执行长 G. Dan Hutcheson 则语带保留指出,台积电 10 奈米将大幅超越英特尔 14 奈米节点,但其也称英特尔 14 奈米节点目前维持了两年,台积电已发展到 10 奈米与 7 奈米计画,正以比其他厂商都还要快的速度在前进。

从几位分析师的说法,可以看出英特尔在技术上仍有所领先,但领先的幅度已慢慢缩小,而对客户而言,看的更不仅仅是技术领先与否,包含良率、耗电量等因素都在考量範围之内,而非只有製程一项因素而已。如果光从数字就可评断,那在先前苹果 A9 晶片门事件也不会因此而闹得沸沸扬扬了,毕竟三星的製程数字是优于台积电。

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