半导体制程怎么命名比较好?Intel:遵照摩尔定律走就对了

一般来说,半导体制程的命名逻辑是制程越低就越先进,但就因为这个先入为主的刻板印象,让有些芯片厂喜欢在制程的命名上大做文章。Intel对此提出了自己的观点,表示在导入FinFET之后,靠晶体管密度来命名更能反映真实情况。

大家常常拿Intel的制程开玩笑,说如果你想得知今年是公元几年的话,千万别问现在Intel的制程是多少,因为答案一定是14nm。不过随着代号为Tiger Lake的第11代Core处理器推出,Intel也正式进入10nm时代。

为了要让大家更了解制程推进背后的含义,Intel在台湾架构日活动中,邀请新竹办公室总经理谢承儒为大家解说Intel制程的命名逻辑。

在以往制程的命名方式是依据晶体管的闸极长度(Gate Length)而定,这个数据某种程度能代表晶体管的实际尺寸。当晶体管尺寸越小代表越省电,也可以在单位面积中塞入更多晶体管,让芯片达到更高运算性能,但闸极长度缩小也代表更难控制电流的流动。

为了在固定的尺寸中增加闸极长度,加州大学伯克利分校胡正明教授于1998提出FinFET(鳍式场效晶体管)技术,通过立体结构的闸极在有限尺寸中延长闸极长度,Intel也于2011年完成商用实例。其概念可以参考下图。

然而FinFET的闸极长度与晶体管的实际尺寸脱勾,导致使用传统命名方式已经不能适切反映晶体管特性。

谢承儒在台湾架构日活动说明Intel制程的命名逻辑。

过去制程是以晶体管闸极长度命名,但随着制程精进,这种命名方式已经无法反映晶体管特性。

图中左方为传统晶体管,中央为FinFET晶体管(闸极具有1组鳍片),右方为Intel新推出的Super FinFET晶体管(闸极具有多组鳍片)。

将图片放大来看,可以看到传统晶体管与FinFET晶体管中央的黄线部分即为闸极长度。在相同晶体管尺寸下FinFET晶体管立体结构让闸极与源极可以有3个接触面,而能延长长度。

由于原本制程的命名方式参考闸极长度,当闸极长度越小,代表着同样面积的芯片可以装入更多晶体管,于是Intel就决定FinFET结构的芯片中,以晶体管密度作为制程命名方式的依据。

假设前代芯片在长、宽各为1单位的尺寸中容纳固定数量的晶体管,那么在下代芯片中,在长、宽各为0.7单位尺寸(面积约为一半)装入等量晶体管,就代表着晶体管密度增长2倍。

有趣的是,这种命名方式也呼应了Intel共同创办人Gordon Moore所提出的摩尔定律(芯片上的晶体管数目每隔2年会增加1倍)。

从下方表格中可以看出,以90nm制程节点来看,下一代制程就是65nm(90 x 0.7 = 63,取近似的65),再下一代则为45 nm(65 x 0.7 = 45.5,以下依此类推),而各代间的晶体管密度增长幅度也与2倍接近,可以说发展趋势与摩尔定律相当接近。

回顾Intel在2019年就正式推出10nm制程产品,Tiger Lake处理器则是将FinFET结构推升为Super FinFET,再次强化芯片的电气特性,官方表示能够在“不推进制程节点”的情况下带来20%性能提升。而未来Intel也会导入Nanoribbon结构进一步增加闸极长度,以缩小晶体管尺寸并增加密度。

Gordon Moore于1965年提出摩尔定律,至今仍准确预估芯片上的晶体管数目每隔2年会增加1倍的发展趋势。

从Intel对于制程的命名方式来看,可以看出以晶体管密度增长1倍为进入下1个节点的依据,而下1个节点名称的数值则为原本节点的0.7倍。(笔者注:14nm推进到10nm的年份好像不止2年。)

Intel在2019年就推出10nm FinFET芯片,2020年虽然没有推进制程节点,但导入Super FinFET结构强化性能表现约20%。

虽然许多其他芯片厂有着“名称更加响亮”的制程命名方式,但Intel仍可保持晶体管密度的优势。

Nanoribbon结构让闸极的4面都能接触源极,能够强化电气特性,有助于缩小晶体管尺寸。

Intel在台湾架构日的新闻稿指出,公司的发展策略仍围绕摩尔定律,面对“微缩制程逐渐面临到物理极限挑战,摩尔定律是否不再适用?”这类市场疑问,Intel表示将持续深耕先进制程开发,并导入更多不同尖端技术,致力于家用、商用、高性能计算等不同市场推出最适合的产品,以实际行动破除市场疑虑。

由于台湾架构日的时间恰好是NVIDIA宣布收购Arm的隔天,因此大家都对AI运算、超级计算机等业界重新洗牌的状况感到好奇。笔者也对此提出疑问,虽然Intel一直在处理器(CPU)领域保持领导地位,但在绘图处理器(GPU)领域却始终走得跌跌撞撞,而NVIDIA原本就有着绘图处理器技术领先,因此在AI运算方面有着极大优势,现在联合Arm之后,Intel该如何突破对手“打群架”的包围。

Intel台湾分公司发言人郑智成对此回应,以他在Intel工作20余年的经验来看,Intel在过确实在绘图处理器部分落后对手许多,但这次推出的Xe绘图处理器则是“玩真的”,而且已经可以在Tiger Lake中看到Xe LP实际应用,至于更高端的Xe HP,则可通过EMIB封装技术将多组运算单元(Tile)核心集成于单一封装中,提升AI运算等场景性能表现。

此外Intel也提出下列“6大创新支柱”

1. 制程与封装(如Super FinFET、Nanoribbon、EMIB)

2. 各类处理器(XPU)架构(如CPU、GPU、FPGA)

3. 内存(如Rambo Cache、Optane、3D XPoint)

4. 互联架构(如Compute Express Link)

5. 安全性(如Intel Control–Flow Enforcement Technology)

6. 软件(如oneAPI)

提供完整的硬件、软件环境与生态系统统,持续满足市场上各类运算的需求,以维持自身的竞争力。

郑智成充满信心地表示Intel的Xe绘图处理器将会在高性能计算市场中抢占一席之地,目前已经获得美国能源部阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的订单,将于2021年末开始交付产品。

Intel的6大创新支柱包括制程与封装、各类处理器(XPU)架构、内存、互联架构、安全性、软件。

Xe绘图处理器可细分为多种不同等级。

其中负责高性能计算的Xe HP将可通过EMIB于单一封装中集成多组运算单元,提供更强大的运算性能。

EMIB可以于将多种芯片集成于单一封装,提高芯片设计的弹性。

对于NVIDIA收购Arm这场大戏,Intel看来早有准备,并具有十足正面迎战的信心,后续发展值得大家关注。