1：摩爾定律

1965年，矽谷傳奇人物、仙童公司「八大叛徒」之一、英特爾前執行長兼名譽董事長、偉大定律發現者戈登·摩爾正在準備一份關於電腦記憶體發展趨勢的報告。

當他開始繪製數據時，他注意到了一個令人驚訝的趨勢。

每個新晶片的容量大約是其前代晶片的兩倍，每個晶片的生產週期比前一個晶片晚 18 至 24 個月。如果這種趨勢持續下去，計算能力相對於時間段將呈指數式上升。

 

這就是著名的摩爾定律，它對積體電路產業發展的描述異常正確。

總結：

1：積體電路晶片（晶圓）上整合的電路數量每18個月增加一倍。

2.微處理器的效能每18個月提高一倍，而價格卻下降一半。

3. 每 18 個月，一美元可以購買的電腦效能翻兩番。

 

您可能認為摩爾定律只不過是個總結？

其實，這可以推導出一個公式，即每18個月，在晶片尺寸不變的情況下，晶片面積減半。

這樣，相同尺寸的晶圓可以生產兩倍的晶片。

 

如果上一代製程的晶片面積是1mm2，那麼在新製程中，面積是新製程的一半，即0.5mm2。

我們假設兩代晶圓的成本相同（一般新製程會比較貴），那麼新製程的成本是原製程成本的一半。

這就是摩爾定律揭示的現實：

即採用新製程的晶片面積更小、功耗更好、頻率更高、成本更低。

這就是新科技對舊科技的降維攻擊！

這些優勢和好處是推動晶片技術不斷進步的引擎。

這就是摩爾定律的內涵。

如果晶片技術進步，每個電晶體的尺寸將會縮小。縮小了多少？

 

如上圖所示，在電晶體數量不變的情況下，下一代新製程的晶片面積是上一代的一半。

 

那麼X和Y之間是什麼關係呢？

如果我們用平方來計算呢？

那麼新製程的電晶體尺寸大約是舊製程的0.7倍。

也就是說，電晶體將縮小 0.7 倍。

根據摩爾定律，我們可以用國中的數學知識來計算每一代技術的進步，從800nm（這個80586製程節點）開始。

 

 

晶片技術的發展也證實了這一點：

由0.8μm、0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm、5nm。

 

實際的流程節點滿足這個要求。

摩爾定律與目前的晶片製造製程完全一致。

魔法！

2：半節點

有流程知識的同學可能會說：

出了點問題，

這張圖中，火熱的40nm、28nm、14nm製程都去哪了。

是的，這牽涉到晶片廠商常用的方法。

收縮。

我們都知道，一個製程節點研發成功後，其研發成本是非常高的。

如果能在這個製程節點、面積、功耗等方面繼續優化的話。

這也是最大限度地利用現有投資的一種方式。

就像英特爾在 14nm 上所做的那樣。

14奈米+++

持續優化。

 

而我們今天說的shrink也是優化。

它本質上是根據光照 (MASK) 的使用按比例縮放的。電晶體尺寸縮小一點，晶片仍能正常運作，從而減少晶片面積，降低成本。

那麼收縮率是多少呢？

縮小通常會將電晶體的尺寸縮小 0.9 倍。

 

大約每條邊長以 0.9 縮放；整體面積減少0.81；

 

此過程也稱為晶片收縮。

然而，縮小尺寸可能會帶來新的問題，例如漏電流增加，但漏電流可以透過製程參數來調整。 Shrink還可以在不改變製程特性的情況下挖掘此製程節點的潛力。

這些縮小的製程節點也稱為半節點。

例如：

 40nm是45nm微縮後的半節點。

 28nm是32nm微縮後的半節點。

 20nm是22nm微縮後的半節點。

 14nm也可以看成是16nm微縮之後的半節點。

將之前的過程乘以0.9。

DIE微縮是晶片製造商完成的，與晶片設計公司無關。

工程師設計的佈局都是經過預先收縮的，廠商生產的時候直接收縮，生成的die面積比版本按比例縮小。

所以我們的晶片設計工程師現在在做40nm或28nm等半節點製程的時候，都有一個縮水的製程。

會發現晶片的layout比實際的DIE面積大。

如果我們計算最終的DIE（晶片）面積，實際上是收縮後的面積，而不是佈局的面積。

 

EDA工具標示收縮前的區域（預收縮）。

 

即設計公司給了晶片廠10X10的設計圖，晶片廠卻生產出了9x9的尺寸。

 

對於DIE、WAFER等的具體定義，不熟悉的同學可以參考《我哥原創的那些高素質人類晶片工程師的「說的話」》

 

這些經過優化的40nm、28nm等，變得更加成熟、壽命更長的製程。

原來的45nm、32nm等，與優化的40nm、28nm相比，不再有優勢，廠商不再推廣這些製程。

 

事實上，業界通常將45nm/40nm、32nm/28nm、22nm/20nm、16nm/14nm的製程節點視為同一製程節點，是一代，只是廠商透過微縮來優化。

加入shrink後，我們看到現在的28nm、14nm、10nm、7nm和5nm都可以用摩爾定律上一節的初中數學知識來計算。

 

嚴格契合，理論與實務吻合良好。

 

戈登摩爾，真是個天才！

3：澆口長度

 

但這是真的嗎？

 

這些數字中隱藏著巨大的意義。

 

我們看一張圖：

 

 

大約從 1960 世紀 1990 年代到 XNUMX 年代末，節點根據其門長度來命名。 IEEE 的這張圖顯示了以下關係。

 

閘極長度和半節距（晶片上兩個相同特徵之間距離的一半）與製程節點名稱相匹配，這就是實際命名為 0.5um、0.35um、0.25um 的原因。

但28nm以下，由於採用了finfet等新技術，這些技術與實際節點和閘極長度和半節距不符。

 

 

 

如果您保持節點名稱和實際特徵尺寸同步，它將顯示為紅線。

 

2015年以前，晶片製造的最小製程尺寸將降至1奈米以下。

 

事實上，廠商偷偷越庫，

 

實際上，整個過程曲線更接近藍線所示的曲線。

 

你以為的7nm、5nm已經不再是柵長、半節距了。

那麼7nm和5nm是怎麼產生的呢？

畫個餅吧！

畫個餅，你熟悉嗎？

 

公司老闆最擅長做這個，畫個餅，或是畫個路線圖。

 

老闆說：未來三年每年都會翻倍。今年銷售額將達到100億。 10年，將成為銷售額100億的公司。

 

重點是，這東西不能這麼算。照這個推算，幾十年後，地球就變成你公司的了，你的銷售也完成不了。

 

那麼晶片製造這塊餅，或者說（路線圖）是如何繪製的呢？

因為半導體製造涉及巨大的資本支出和大量的長期研究。一項新的技術方法從論文中引入到大規模商業化生產的平均時間約為10-15年。

 

幾十年前，半導體產業認識到，如果有一個引入節點和這些節點將解決的功能規模的整體路線圖，那麼這將指導晶片流程中涉及的每個單元。

也就是說，比如說2025年，我們會畫一個大餅來發展1nm。那麼，此時所需的光刻設備製造商、蝕刻設備製造商、材料製造商、研究機構等必須瞄準這個目標。

該路線圖的主要目的是「為大學、財團和產業研究人員提供主要的未來參考，以刺激各個技術領域的創新」。

也就是說，要為晶片製造從業者分一塊大餅。

 

多年來，國際半導體技術路線圖（ITRS）發布了行業總體路線圖。這些路線圖跨越 15 年，為半導體市場設定了整體目標。

ITRS 是做大餅的人！

 

這個路線圖怎麼畫呢？

當然，正如本文第一部分所述，摩爾定律。

摩爾定律太粗魯了。

 

已經從幾百nm，乾到5nm或3nm。

 

關鍵是，數學可以做到這一點，但是物理可以做到嗎？

 

這樣做有點太倉促了。

 

4：行銷手段：BMW5系和5nm

不久之後，ITRS（國際半導體技術路線圖）組織也明白這是不可接受的。

無法將閘極長度或半節距與節點尺寸連結的原因是：

 

因此，這些維度要么停止縮放，要么縮放得更慢。

殘酷地乘以 0.7 並期望晶體管能夠工作。

這種電晶體無法由工業界製造。

 

於是，2010年，ITRS將各節點上的技術統稱為「等效擴展」。

換句話說，你不需要真正對應，你覺得還不錯。

 

也就是說，7nm和5nm已經不再是原來所說的柵長或半節距了。

 

這項變化反映了晶片製造業的現狀：

 

台積電的 Philip Wong 在 Hot Chips 31 主題演講中表示：“它曾經是一個技術節點、一個節點編號，意味著晶圓上的某些功能。”

 

但是：「今天，數字只是數字。它們就像汽車模型 - 例如寶馬 5 系列或馬自達 6。數字是什麼並不重要，它只是下一代技術的目的地，它的名稱。因此，我們不要將節點的名稱與技術實際提供的內容混淆。

  

 

 

 

提點：不要將節點名稱與實際技術混淆

 

5nm、7nm與BMW5、馬自達6沒有什麼差別。

 

這些只是行銷策略。

 

這並不是說公眾會混淆這個名字。

是這些晶片製造商，用這些行銷詞來混淆製程的節點和電晶體的實際尺寸嗎？

 

摩爾定律這艘大船雖然進入了淺水區，但馬上就要擱淺了。

讓我們一起搖晃這艘大船，按照摩爾定律繼續前進，

 

所以英特爾的有人想出了這個辦法。

不說了，5nm、7nm，我們直接比較一下單位面積的電晶體數量。

這是公式：

 

英特爾晶片製造專家Mark Bohr認為，每個晶片製造商在提到製程節點時都應該以MTr/mm2（每平方毫米數百萬個電晶體）為單位揭露其邏輯電晶體密度。

這也解釋了為什麼英特爾的10nm和台積電的7nm雖然看起來是兩代，但晶體管密度基本上相同。

 

 

 

然而，這個公式太複雜了。

7nm、5nm怎麼可能對大眾有很好的宣傳效果。

但是，說實話，Intel 本身在自己的命名方案中並沒有真正遵循門長（gate length）模型。

從下表來看，隨著工藝的進步，玩家越來越少。

高階玩家只剩下台積電和三星，以及一直在追趕的英特爾。

明年，三星和台積電的3nm都聲稱要量產。

但這一次，我們要知道，這只是一個世代製程代號，與3nm本身無關。

從7奈米、5奈米到3奈米。

摩爾定律並沒有消亡。

僅有的，

步履蹣跚，漸漸老去。

引文：

1：技術節點 - WikiChip

2：流程節點是如何定義的？ - 極限科技

3：台積電的7nm、5nm和3nm「只是數字…數字是多少並不重要」 | PCGamesN

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