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英特尔:摩尔定律依然有效,还可再战10年!

9月19日,英特尔精尖制造日活动在北京正式召开。这是近10年来,英特尔首次在中国进行制造工艺技术的介绍活动。会上英特尔首次公布了自家最新的10nm工艺技术细节,并深度解析了英特尔的“摩尔定律”,揭开了目前业内关于制程节点命名上的“猫腻”,对于“摩尔定律已死”等言论给予了正面回击。

摩尔定律是由英特尔创始人之一的戈登·摩尔(Gordon Moore)于半个世纪前提出来的。其内容为,“当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管的数目,约每隔24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。也就是说,同样的成本下,每隔24个月,性能将提升一倍以上。这一定律揭示了半导体技术进步的速度。

摩尔定律并未终结!拨开迷雾看制程节点命名的猫腻

摩尔定律诞生之后几十年,半导体制程技术的发展也基本遵循着这一定律向前推进。反馈在芯片制程工艺命名上,也一直都是以前一代制程的0.7倍对新制程节点命名,因为这样的升级每一代的晶体管密度正好是上一代的两倍。所以,我们可以看到,英特尔90nm、65nm、45nm、32nm、22nm这样的命名,而且也基本是遵循每两年升级一代的规则。

英特尔10nm工艺正式发布:揭开了友商半导体制程节点命名上的猫腻

但是自2011年下半年英特尔发布了22nm之后,近2年半之后,即2014年上半年,英特尔的14nm工艺才发布(二季度末才量产)。而在14nm向10nm提升的过程中,英特尔在工艺上遭遇了挑战,其Tick-Tock策略(即一年提升工艺,一年提升架构)甚至停摆。时隔3年之后的今天,英特尔才正式发布了新一代的10nm工艺。这也使得外界对于摩尔定律是否走已经失效产生了疑问,因为英特尔最近这两代的工艺都间隔了3年左右的时间,似乎打破了摩尔定律每两年升级一代的定律。

但是细心的网友应该发现,英特尔14nm与之前的22nm的命名并不是0.7倍之间的关系(22nm的0.7倍命名应该是16nm,14nm实际是22nm的0.64倍)。

而且,根据英特尔的数据显示,从英特尔的32nm开始到后面的22nm,每两年的时间,晶体管密度(单位面积下晶体管的平均数量)的提升都超过了两倍(32nm的晶体管密度是45nm的2.27倍)。虽然英特尔从22nm升级到14nm,以及从14nm升级到10nm的时间周期都超过了两年,但是对应的晶体管密度也分别提升了2.5倍和2.7倍。

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谈到晶体管密度,可能有些人不太清楚究竟如何来计算晶体管密度。

英特尔表示,一种简单的指标就是用栅极距(栅极宽度再加上晶体管栅极之间的间距)乘以最小金属距(互连线宽度加上线间距),但是这并不包含逻辑单元设计,而逻辑单元设计才会影响真正的晶体管密度。另一种指标——栅极距乘以逻辑单元高度——是纠正上述缺陷而朝着正确方向迈出的一步。但是这两种指标,都没有充分考虑到一些二阶设计规则。它们都不能真正衡量实际实现的晶体管密度,因为它们都没有试图说明设计库中不同类型的逻辑单元。此外,这些指标量化了比较上一代的相对密度,而真正需要的是给定面积(每平方毫米)内的晶体管绝对数量。在另一种极端条件下,用一个芯片的晶体管总数除以面积毫无意义,因为大量设计决策都会对它产生影响——例如缓存大小和性能目标等因素,都会导致这个值发生巨大变化。

英特尔10nm工艺正式发布:揭开了友商半导体制程节点命名上的猫腻

其实在摩尔定律提出之时,对于晶体管密度就已经有了一个比较准确的计算公式。只不过这个公式并没有像摩尔定律一样被广泛的认知。这个计算公式基于标准逻辑单元的晶体管密度,并包含决定典型设计的权重因素。尽管任何设计库中都有各种标准单元,但是我们可以拿出一个普及的、非常简单的单元——2输入 NAND单元(4个晶体管),以及一个更为复杂、但也非常常见的单元:扫描触发器(SFF),结合对应的面积和权重比,最终得出晶体管的密度。

那么在这个计算公式之下,英特尔的各个工艺节点的密度又是多少呢?

英特尔10nm工艺正式发布:揭开了友商半导体制程节点命名上的猫腻

从上面这张图上我们可以看到,英特尔14nm工艺下的晶体管密度为37.5Mtr/mm²(百万晶体管/平方毫米),而这个密度是英特尔22nm工艺下晶体管密度的2.45倍。如果按照摩尔定律每两年翻一番的标准,两年半的周期,晶体管数量应该是需要增加2.5倍左右,所以英特尔的14nm工艺的晶体管密度也是基本符合摩尔定律要求的。

而此次英特尔发布的10nm工艺下的晶体管密度则达到了100.8Mtr/mm²,大约是上一代的14nm工艺的2.7倍,也就是说3年左右的时间内,英特尔实现了晶体管密度2.7倍的增长,虽然,略低于本该3倍的增长,但是结合此前几代超出摩尔定律的增长,英特尔10nm工艺仍然是符合摩尔定律的对于晶体管密度的线性增长要求(如下图)。

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当然,摩尔定律除了要求每两年晶体管数量翻一番之外,还包括对于性能上的增长,成本上的下降的要求。

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可以看到,英特尔每一代工艺的提升都带来了处理器性能的大幅提升和功耗的大幅下降。

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从成本方面来看,虽然芯片每平方毫米的成本是在不断上升的,但是随着晶体管密度的提升,同样数量的晶体管所占的芯片面积是在不断下降的,所以总体上来看,单位数量下的晶体管的成本不仅没有增长,而且是一直在下降的。根据英特尔的数据显示,其上一代的14nm和新发布的10nm工艺以及未来的7nm工艺都将带来晶体管成本的下降,虽然下降的幅度相比之前在放缓。

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但是,如果结合450mm晶圆技术,则可以进一步减少单位面积下的晶圆成本,从而推动晶体管成本的加速下滑。

通过上面这一系列的数据,我们不难看出,在英特尔的推动下,摩尔定律依然有效,并正在继续向前推进。

“摩尔定律使计算得以普及。它是一个非常强大的经济学定律:按照特定节奏推动半导体制造能力的进步,我们就可以降低任何依赖于计算的商业模式的成本。”英特尔公司执行副总裁兼制造、运营与销售集团总裁Stacy Smith称:“想象一下,如果其它行业以摩尔定律的速度进行创新——性能每两年翻一番,那会发生什么?汽车能效:现在只需一加仑汽油,即可行驶相当于地球和太阳之间的距离;农业生产力:现在只用一平方公里土地,即可养活全部地球人;太空旅行:速度现在可以提升至300倍光速。这也是为什么摩尔定律如此重要的原因。”

英特尔高级院士、技术与制造事业部制程架构与集成总监Mark T. Bohr

英特尔高级院士、技术与制造事业部制程架构与集成总监Mark T. Bohr也表示:“逐一实现全新的制程节点变得愈加困难,成本也更加昂贵。仅仅是把设备安装到已有晶圆厂中,就要花费70亿美元。这也意味着半导体制造业将继续整合,因为越来越少的公司能承担得起推进摩尔定律的成本。英特尔每年都让产品价格更低、性能更强。推进摩尔定律的能力是我们的核心竞争力。我们确信,至少未来十年内,摩尔定律依然有效!”

此外,为了推动摩尔定律在未来的继续前进,以及可能的后摩尔时代的到来。英特尔还积极研究如纳米线晶体管、III-V 材料(如砷化镓和磷化铟)晶体管、硅晶片的3D堆叠、高密度内存、(EUV)光刻技术、自旋电子(一种超越CMOS的技术,当CMOS无法再进行微缩的时候,这是一种选择,可提供非常密集和低功耗的电路)、神经元计算等前沿项目。

作者:芯智讯-浪客剑

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