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為了應對臺積電等對手的“製程虛假宣傳”,以及糾正大家對製程的認知誤區,英特爾直接捨棄了“10nm,7nm,5nm,3nm”這一本質上由摩爾定律決定的說法,而是直接採用100%英特爾主觀視角的新命名體系——Intel7,Intel4,Intel3,Intel20A,Intel18A。


作者| 宇多田

出品| 虎嗅科技組

封面| 視覺中國

自從去年英特爾被100%確鑿證據證實了在10nm製程上的延期,以及在7nm製程上全面落後於臺積電,喪失全球製程領導地位後,大眾輿論對這家美國唯一從設計、製造到封測全覆蓋的半導體企業的態度,呈現出驚人的一致變化:

除了競爭對手和看熱鬧不嫌事大一樣的順便踩一腳,這種“批判趨勢”到最後似乎演變成——這家半導體頂級巨頭剩下的日子似乎屈指可數了。

技術創新層面遭遇的危機也蔓延至他們的財務資料上,從2020年Q1到2021年Q3,英特爾淨利潤連續3個季度下滑;而歷來作為資料中心市場的絕對王者,英特爾這一業務板塊的收入也在三個季度內持續下降。

2021年5月,權威市場調研機構 IC Insights釋出的《2021年Q1全球Top15半導體公司業績與排名》指出,英格爾雖然位列第一,但卻是所有廠商中唯一一家營收下滑的企業。

圖片來自IC Insights

英特爾當然焦慮。這種焦慮可能體現在:

受到資本市場巨大壓力,2021年年初突然換帥,重新啟用有40年製造技術履歷的帕特·基辛格(Pat Gelsinger)為新任CEO。

迅速接受了阿斯麥比自己更為先進的EUV製造工藝,用了大約兩個季度的時間修復了7nm技術。

在製造環節投入巨資。今年3月,帕特·基辛格正式公佈十分關鍵的“IDM 2.0”戰略,宣佈重返晶圓代工市場,同時宣佈投資200億美元在美國亞利桑那州新建兩座晶圓廠;5月再次宣佈,投資35億美元升級新墨西哥州工廠,投資100億美元在以色列興建的晶片廠,還計劃在歐盟建廠。

越來越多的英特爾半導體技術專家現身說法,為自己的製造技術正名,強調“每家晶圓廠的製程資料有對外宣傳的差異”。

當然,根據虎嗅平臺的觀察和媒體反應,在國內大大小小的人工智慧、物聯網以及資料中心市場活動上,你能越來越多次看到英特爾出現的身影。

英特爾 CEO 帕特·基辛格

以重新奪回“製程節點”為目標的英特爾,今年3月釋出的“IDM2.0戰略”就以大手筆和”絕不放棄製造”的態度雖然引起產業重視,但因為表現不佳的財報狀況持續受到爭議;

而昨天,包括CEO基辛格在內的4位英特爾高階製造技術專家,再次通過大範圍公開英特爾的製程技術和實現路徑,向半導體產業投擲了一枚“新炸彈”:

英特爾的確在10nm和7nm有所延遲(如果感興趣,可以看我的這篇文章《英特爾退位,臺積電稱王》),但在5nm節點上,英特爾自認為非但沒有延遲,反而會完成超越。

為了應對臺積電等對手的“製程虛假宣傳”,以及糾正大家對製程的認知誤區,英特爾直接捨棄了“10nm,7nm,5nm,3nm”這一本質上由摩爾定律決定的說法,而是直接採用100%英特爾主觀視角的新命名體系——Intel7,Intel4,Intel3,Intel20A,Intel18A。

這一次公開的Intel20A,本質對應的就是5nm製程。這是一個英特爾近2年來閉口不談的製程節點,相關時間計劃基本到7nm就戛然截止了。英特爾首次宣佈將通過Intel20A,進入“埃米時代”。

Intel20A背後兩大關鍵技術非常值得注意。其中,這個製程將會採用全新的電晶體結構Gate-All-Around,並非是為22nm以下製程產品化立下汗馬功勞的FinFET結構。

換言之,這種應用了新材料的新結構晶片,將會對傳統制程概念,產生重大改變。就如一位半導體技術專家告訴虎嗅:“這種新的材料結構,製程這些幾奈米啥的就沒那麼大的關係了。”

英特爾新制程命名體系:快醒醒,客戶們

關於製程的命名問題,被產業詬病已久。

譬如我們曾在《英特爾退位,臺積電稱王》這篇文章裡提及,業內不少工程師認為,英特爾在對待“奈米”製程數字的態度更實在,甚至表示“英特爾的10nm晶片對標的其實是臺積電的7nm,甚至比後者的7nm都好”。

這也是基辛格上任後,多次在公開場合呼籲大家正確理解“製程數字”:

“包括英特爾在內,使用著各不相同的製程節點命名和編號方案,這些方案既不指代任何具體的度量方法,也無法全面展現如何實現晶片能效和效能的最佳平衡。”

這就像是車展上那些號稱自己晶片達到幾百幾千Tops的汽車,也像是加州每年釋出的《自動駕駛接管報告》——沒有統一測試條件和足夠的企業誠信度,就絕對不配說出“誰比誰效能好”的結論。

所以,英特爾這次興師動眾地更換了命名體系,美名曰:“讓客戶對整個行業的製程節點演進有一個更準確認知,進而做出更明智的決策”,其實主要目的就是對付臺積電和三星不那麼太靠譜的5nm和3nm製程名字。

2021年下半年將推出的Intel 7 (是不是至少看起來像是7nm?),其實就是英特爾之前釋出的10nm Enhanced SuperFin;

2023年上半年釋出的Intel 4(至少看起來像4nm?),其實就是英特爾之前PPT的7nm;

2023年下半年釋出的Intel3,其實就是英特爾之前PPT上的7nm+;

2024年上半年釋出的Intel20A(看起來像不像2nm?),其實就是英特爾標準下的5nm;

2025年上半年釋出Intel18A,其實就是英特爾標準下的5nm+。

圖片來自英特爾

實際上,隨著電晶體結構的愈加複雜,早在21世紀初,產業內就開始對晶片的奈米制程命名有了“分化趨勢”。

我們都清楚,微處理器是由以特定方式連線起來的數十億電晶體組成。這些電晶體充當了“開關”的角色,負責處理電子資料的1和0。

基辛格解釋,在電晶體頂部有一個區域叫“柵極”,它決定了電晶體是開啟還是關閉。而“製程節點”指代的是電晶體所需的數千個製造步驟組成的複雜方案。

而所有最頂級半導體公司幾乎都有同一個目標——讓這些晶片變得更小、更快、更便宜、更高能效——最好的例子莫過於蘋果的5nm製程晶片M1(有太多關於M1的測評可以去看,我也買了一臺M1的Macbook Air,愛不釋手)。



最初,製程工藝“節點”的名稱與電晶體的柵極長度相對應,並以“微米”為度量單位。隨著電晶體越變越小,柵極的長度越來越微縮,產業開始以奈米為度量單位。

而關於製程命名改變的關鍵節點出現在1997年。

“隨著技術進步和應變矽(strained silicon)等其他創新技術的出現,除了縮小電晶體,更快、更便宜和更高能效也變得同樣重要。” 基辛格認為,從這時開始,傳統命名方法不再與實際的電晶體柵極長度相匹配。

換言之,電晶體尺寸在某種程度上不是唯一的決定因素,它們之間的“互連”等因素也不能忽略。

2011年,在英特爾推出FinFET電晶體結構技術後,行業進一步分化。這是一種構建電晶體的全新方式,具有獨特的形狀和結構。

這個結構就是將停滯不前的22nm繼續往下縮排的關鍵技術。但要很顯然,從22nm開始,不要說大眾,就連產業內對製程數字的理解與它的實際“座標”也開始逐漸脫離。

這也是英特爾如今建立新命名體系的根本緣由。

正如虎嗅之前在採訪工程師時得到的答案:“英特爾在製造工藝標準制定上相對更激進,要求也更高。但的確製程延遲了1~2年,說落後並不意味著他們沒有追趕的可能性。”

但英特爾這次大刀闊斧的製程更名,也許不是不相信自己,而是嗅到了市場和資本已經被“命名”困惑已久(譬如開頭),甚至依此來做出商務判斷的殘酷現實。

不過我們想到了一個問題——即便推出了新命名產品,客戶沒有理由不問一句:“你這intel7到底幾奈米?對標的是臺積電的幾奈米?”

說實話,我們更想知道英特爾在遇到這個問題時怎麼回答。

誓死捍衛摩爾定律?

基辛格在這次可謂是極為詳盡的“製程技術科普會”上,至少提了三次關於“摩爾定律不會消亡,英特爾會通過各種方法,如改材料、電晶體結構,以及封裝等角度,繼續來延續摩爾定律”的決心。

實話講,除了這個意味深長的新命名體系,英特爾最有趣且最應該受到關注的產品,毫無疑問是Intel3之後的Intel20A。

(當然,Intel4 將作為第一批應用阿斯麥高數值孔徑(High-NA)極紫外輻射光刻技術(EUV)的處理器也倍受矚目,但象徵意義不如Intel20A。)

Intel 20A(5nm)之所以被英特爾稱為歷史上製程技術發展的下一個分水嶺,是因為它是第一塊應用英特爾兩大“開創性技術”的晶片:

替代FinFET的全新電晶體架構 Gate-All-Around(英特爾把它命名為RibbonFET)

能夠解決“互聯瓶頸”的電能傳輸系統PowerVia。

FinFET技術的重要性已經無須贅述。

它是加州伯克利大學電子工程與計算機專業教授胡正明在1999年研發出的 3D 電晶體技術(鰭型電晶體)。英特爾之所以能在 12 年後率先量產出 22nm 電晶體,臺積電與三星順利過渡至 16/14nm 製程節點,FinFET功不可沒。

正是這項“發明”,摩爾定律才得以“延壽”數十年。

但是,隨著製程從5nm持續縮排至3nm,半導體制造專家們發現,進一步減少 FinFET 尺寸,就越來越受到驅動電流和靜電控制的限制。

而將要替代它的Gate All Around的常用名為GAAFET(全柵場效電晶體),它使用柵極包圍的帶狀通道,從而能實現更快的電晶體切換速度和更好的控制。因此,在更小的佔用空間內,可具備更高的效能。三星在2020年曾宣佈將在3nm製程晶片上應用這一架構。

圖片來自泛林半導體

與 FinFET不同的是,在 FinFET 中,較高電流需要多個並排的鰭片;GAA 電晶體的載流能力主要是通過垂直堆疊幾個奈米片(上圖),而柵極材料主要是包裹在溝道周圍來提高的。奈米片的尺寸可以按比例縮放,以便電晶體可以按照要求的特定效能進行調整。

聽起來,“奈米片”的概念其實理解起來並不是那麼困難;而且實際上,這項技術已經被研發多年。但其之所以不受業內“重用”,主要瓶頸就在於“材料”。

根據泛林半導體給出的解釋,GAA電晶體是通過“交替矽”和“矽鍺外延層”的超晶格來製作的,這是構成奈米片的基礎,此外製作工藝相對複雜,可能需要釕、鉬、鎳等各種合金新材料進行沉積、蝕刻、填充。

一位半導體專家這樣給虎嗅總結:“它(GAA)將對半導體的基底材料進行更改,半導體連線的材料也要進行更改。同時整個電晶體的物理結構也要變化。”

因此,帶領團隊開發這項技術的Sanjay Natarajan博士將英特爾的GAA——RibbonFET稱為一次“電晶體效能上的重大飛躍”,並非虛話。

根據測試晶片結果,他們預計RibbonFET電晶體帶來的效能和密度提升,將超過當下的FinFET電晶體。而Intel 20A將是應用RibbonFET的第一枚晶片。



而電能傳輸系統PowerVia則是英特爾工程師開發的一項獨特技術。Sanjay Natarajan博士作為這項技術的開發負責人,指出半導體電晶體結構中存在的最大傳統問題之一便是“佈線效率低下”。

“傳統互連技術是在電晶體層的頂部進行互聯,經常產生電源線和訊號線的互混,導致了佈線效率低下,進而影響效能和功耗。”

他們的解決方法,便是把電源線置於電晶體層的下面(也就是晶圓的背面)。通過減少晶圓正面的電源佈線,騰出更多的“空地兒”用於優化訊號佈線,並減少時延,實現更好的電能傳輸。



值得注意的是,這兩項將用於Intel20A的關鍵技術,雖然不可避免被人詬病為“仍然處於PPT狀態”(畢竟還都是PPT),但英特爾的專家們展示了這些測試晶片的掃描電鏡影象,顯然經過了一系列測試。

就像上面所說,它們的成功應用,將決定著英特爾是否能在5nm這個關鍵節點上進行反超。

從時間來看,很明顯,2019年時PPT上規劃的“2023年實現7nm++”,與這次規劃的“2024年實現Intel20A”沒有多少間隔。也就是說,依然有機會在5nm這個節點上翻盤。

英特爾2019年10月的製程產品規劃圖

如基辛格所說,英特爾Intel20A在2024年的問世與兩大關鍵技術的真正應用,將標誌著半導體“埃米時代”(1埃米=0.1奈米)的啟幕。

現在來聽,其實更像是英特爾在向外界喊話:你們以為我還想在“奈米時代”爭奪領導權?不,我們要進入一個比奈米更小的單位去爭奪話語權了。

寫在最後…希望不是PPT

但話說回來,既然完全改變了以奈米為單位的命名體系,而且電晶體結構和材料正在發生下一輪巨大變化。此外,英特爾也在從封裝技術層面提高晶片的頻寬密度和能效……

這一切難道不是意味著,所謂的奈米還是埃米的數字單位,已經越來越沒意義了嗎?

英特爾嘴上說在捍衛摩爾定律,其實已經認識到不能再依靠摩爾定律。

如今,Intel20A的製造工藝雖然官方說拿下了高通這個大訂單,但距離2024年變數還有很大。我們雖然覺得英特爾這場釋出會的意義重大,並且產品規劃讓人沒有異議,但是PPT能夠轉變稱真正的產品,還是需要實物說話。

畢竟,當年延遲了4年的14nm產品,當時PPT做的也挺不錯的。



原文連結:https://inewsdb.com/數碼/英特爾投下埃米炸彈:臺積電的誇大宣傳該到頭了

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