芯片工藝的5nm和7nm是怎么來的？揭開芯片工藝和摩爾定律背后的“秘密”

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2022-03-17 09:14:44 39

1：摩爾定律

1965年，硅谷傳奇，仙童“八叛徒”之一，英特爾原首席執行官和榮譽*，偉大的規律發現者戈登·摩爾正在準備一個關于計算機存儲器發展趨勢的報告。

在他開始繪制數據時，發現了一個驚人的趨勢。

每個新的芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個芯片產生的時間都是在前一個芯片產生后的18~24個月內，如果這個趨勢繼續，計算能力相對于時間周期將呈指數式的上升。

這個就是大名鼎鼎的摩爾定律，其對集成電路產業的發展描述，異乎尋常的正確。

總結來說：

1：集成電路芯片（wafer）上所集成的電路的數目，每隔18個月就翻一番。

2、微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一半。

3、用一美元所能買到的計算機性能，每隔18個月翻兩番。

你可能覺得摩爾定律平平無奇，只不過是一個總結？

其實這可以推導出了一個公式，那就是每18個月，在芯片規模不變的情況下，芯片面積減半。

這樣相同的大小的wafer，可以生產出多一倍的芯片。

如果上一代工藝芯片面積是1mm2，在新工藝上，面積就是新工藝的一半，也就是0.5mm2。

我們假設兩代工藝wafer成本一樣（一般新工藝會貴一些），那么采用新工藝，其成本是原來工藝成本的一半。

這個就是摩爾定律揭示的現實：

那就是，采用新工藝的芯片，面積更小，功耗更優，頻率更高，成本還更低。

這個就是新工藝對老工藝降維式的打擊！

這些優點和好處就是驅動芯片工藝不斷進步的發動機。

也就是摩爾定律的內涵。

那如果芯片工藝進步，每個晶體管的尺寸就會縮小，那到底縮小多少？

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如上圖所示，晶體管數量保持不變的情況下，下一代新工藝的芯片面積是上一代的一半。

那么X和Y什么關系。

如果我們按照正方形來計算的話？

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那么新工藝大約是老工藝晶體管尺寸的0.7倍。

也就是晶體管會縮小0.7倍。

那根據摩爾定律，我們利用初中數學知識，就能算出每一代工藝的進步，從800nm開始（這個80586的工藝節點）。

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而芯片工藝的發展也印證了這一點：

從0.8 μ m、0.5 μ m、0.35 μ m、0.25 μ m、0 .18 μm、0.13 μ m、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm，5nm。

實際的工藝節點，符合了這個要求。

摩爾定律和現在芯片制程完全吻合。

神奇！

2：半節點

可能有些工藝制程知識的同學會說：

有點不對勁，

這個圖里，制程很火的40nm，28nm，14nm跑哪里去了。

對，這就涉及到一個芯片制造廠常用的手段。

shrink。

我們都知道，一個工藝節點研發成功后，其研發成本是很高的。

如果可以在這個工藝節點上持續優化，面積，功耗等等。

也是一種最大化利用原有投入的方式。

就像intel就在14nm上做的一樣。

14nm+++

持續優化。

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而我們今天講的shrink，也是一種優化。

它本質上是利用光照（MASK）等比例縮放后。晶體管尺寸縮小一點，芯片仍然能夠正常工作，從而減少芯片面積，降低成本。

那么shrink的比例是多少？

Shrink 一般可以將晶體管的尺寸縮小0.9倍。

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大約每個邊長縮放為0.9；整體面積縮小0.81；

這個過程又稱為，芯片收縮(die shrink)。

然而，按比例縮小可能引入新的問題，例如漏電流增大，但是通過工藝參數可以來調節漏電，shrink在不改變工藝特性的基礎上，修修補補，也能挖掘這個工藝節點的潛力。

這些shrink后的工藝節點，也被人稱為半節點。

例如：

40nm是45nm shrink后的半節點。

28nm是32nm shrink后的半節點。

20nm是22nm shrink后的半節點。

14nm也可以看作16nm shrink后的半節點。

把前面的工藝，乘以0.9就可以了。

DIE shrink是芯片制造廠家來做的，和芯片設計公司沒有關系。

工程師設計完成的版圖都是 pre shrink的，而到了廠家生產的時候，直接進行shrink，生成的die的面積比版本等比例縮小。

所以我們現在芯片設計工程師，做40nm或者28nm等半節點工藝時，都有一個shrink的流程。

會發現，芯片的版圖比實際的DIE的面積要大。

如果我們計算最后的DIE（芯片）面積，實際上要算shrink之后的，而不是版圖的面積。

EDA工具標注的都是shrink前（pre shrink）的面積。

那就是設計公司給了芯片制造廠一張10X10的設計圖紙，而芯片廠生產的尺寸卻是9x9。

具體DIE，WAFER等定義，不熟悉的同學，可以參見老哥原來寫的的《人類高質量芯片工程師的那些“黑話”》

這些優化后的，40nm，28nm等等，成為了更成熟和長壽的工藝。

而原有的45nm，32nm等，與優化后的40nm，28nm相比，不再具有優勢，廠家不再推這些工藝工藝。

事實上，業界通常把45nm/40nm, 32nm/28nm, 22nm/20nm, 16nm/14nm 這些工藝節點，看作同一個工藝節點，是一代，只是廠家通過shrink這種手段，進行的優化。

加上shrink以后，我們看到目前的28nm，14nm，10nm，7nm，5nm都可以用摩爾定律上一節的初中數學知識算出來。

嚴絲合縫，理論和實際吻合的很好。

戈登.摩爾，真神人也！

3：柵極長度

但是，事實果真如此嗎？

這些數字里面隱藏著一個極大的隱情。

我們來看一張圖：

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大約從20世紀60年代到90年代末，節點的命名是基于它們的柵極長度命名的。IEEE的此圖表顯示了以下關系。

柵極長度（gate length）和半節距（芯片上兩個相同特征之間的距離的一半）匹配工藝節點名稱，這個其實0.5um，0.35um，0.25um的一些命名的原因。

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但是在28nm以下，由于采用finfet這些新的技術，這些和實際的節點和柵極長度，以及半節距（half-pitch）就匹配不上了

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如果保持節點名稱和實際特征尺寸同步，就會如紅線所示。

2015年前，芯片制造的最小工藝尺寸就會跌破1nm。

而實際上，廠家暗渡陳倉了，

而實際上，整個工藝曲線更接近藍線所示。

你以為的7nm，5nm，早已不是原來指的柵極長度（gate length），或者（half-pitch）半節距。

那這個7nm，5nm怎么來的。

畫大餅來的！

畫大餅，這個你是不是比較熟。

公司的老板最擅長搞這個，畫大餅，或者叫畫路線圖（roadmap）。

老板說：未來三年每年增長一倍，今年銷售額1億，10年后就成為銷售千億公司。

關鍵是，這玩意不能這么算，按照這么算，幾十年后，地球都成為你們公司的，你們銷售額也完不成。

那么芯片制造的大餅，或者（roadmap）是怎么畫出來的？

由于半導體制造涉及巨大的資本支出和大量的長期研究。從論文中引入新技術方法到大規模商業制造的平均時間約為10-15年。

幾十年前，半導體行業認識到，如果有一個節點介紹的總體路線圖以及這些節點將針對的功能尺寸，這將對參與芯片流程的每個單位都用導引作用。

也就是說，比如，2025年，我們畫個大餅要搞1nm，那么，這個時候所需要光刻設備廠家，刻蝕設備廠家，材料廠家，研究機構等等，都要瞄準這個目標來做。

這個路線圖，主要是“為大學、財團和行業研究人員提供未來的主要參考，以刺激各個技術領域的創新”。

也就是說，要給芯片制造從業者畫一個大餅。

多年來，國際半導體技術路線圖（ITRS）發布了該行業的總體路線圖。這些路線圖延續了15年，為半導體市場設定了總體目標。

ITRS就是畫大餅的人！

那如何畫這個大餅（roadmap）？

當然是摩爾定律，也就是本文*部分介紹的那樣。

摩爾定律這個就是這么粗暴。

一直從幾百nm，干到5nm或者3nm。

關鍵是，數學可以這么算，物理能這么搞嗎？

這么搞，是不是有點太草率了。

4：營銷手段：寶馬5系和5nm

不久之后， ITRS（國際半導體技術路線圖）這個組織也明白了，這么搞是不行的。

不能把柵極長度（gate length）或半節距（half-pitch）與節點大小聯系起來的原因是：

因此這些尺寸要么停止縮放，要么縮放得更慢了。

粗暴的乘以0.7還能指望晶體管能工作。

這種晶體管，工業界制造不出來。

于是，在2010年，ITRS將每個節點上的技術，統稱為“等效縮放”。

也就是說，不用實際對應上，你覺得差不過就行。

也就是說，7nm，5nm，早已不是原來指的柵極長度（gate length），或者（half-pitch）半節距。

這種改變，反應了芯片制造業的現狀：

臺積電的Philip Wong在Hot Chips 31主旨演講中說：“它過去是技術節點，節點編號，意味著一些東西，晶圓上的一些功能。”。

但是：“今天，這些數字只是數字。它們就像汽車模型——就像寶馬5系或馬自達6。數字是什么并不重要，它只是下一項技術的目的地，它的名稱。因此，我們不要把節點的名稱與技術實際提供的相混淆。”

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畫重點：不要把節點的名稱和技術實際相混淆

5nm，7nm這些和寶馬5，馬自達6沒有什么區別。

這些只是營銷的手段而已。

不是大眾要把這個名字相混淆。

而是這些芯片制造廠商，搞這些營銷詞匯，不就是想混淆工藝制程的節點和晶體管的實際尺寸嗎?

雖然摩爾定律這艘大船進入淺水區，快擱淺了。

讓我們一起晃動這艘大船，假裝摩爾定律啟示的那樣繼續前進，

所以英特爾就有人提出來了。

不要扯，5nm，7nm了，直接比拼一下單位面積晶體管的數量好了。

下面就是這個公式：

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英特爾的芯片制造專家Mark Bohr提出來的，它認為每個芯片制造商在提及工藝節點時，都應披露其邏輯晶體管密度，單位為MTr/mm2（每平方毫米數百萬個晶體管）

這個也就是解釋了，為什么英特爾的10nm和臺積電的7nm，雖然看起來是兩代，但是二者的晶體管密度基本一樣。

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但是，這個公式太復雜了。

怎么可能有7nm，5nm對大眾的宣傳效果好。

但是，實話實說，英特爾本身自己在命名方案里面，也沒有真正遵循柵極長度（gate length）的模型。

從下表來看，隨著工藝的進步，玩家越來越少了。

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高端玩家就剩下了臺積電和三星，還有一直要追趕的英特爾。

明年，三星和臺積電的3nm都號稱要量產。

但是這一次，我們應該知道，這個只是一代工藝代號而已，和3nm本身沒有太大的關系了。

從7nm，5nm，到3nm。

摩爾定律不死。

只是，

步履蹣跚，垂垂老矣。

引用文獻：

1：Technology Node - WikiChip

2：How Are Process Nodes Defined? - ExtremeTech

3: TSMC’s 7nm, 5nm, and 3nm “are just numbers… it doesn’t matter what the number is” | PCGamesN

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