北京時間 9 月 16 日，蘋果在秋季第一場新品發(fā)布會上推出了自家新一代旗艦芯片 A14 Bionic，采用了臺積電的 5nm 制程工藝。
而就在不久之前的 9 月 3 日凌晨，英特爾推出了 11 代移動酷睿處理器，采用的仍然是 10nm 工藝，并且還用了 SuperFin 技術(shù)來改善上一代 10nm 的不足。
如果只從制程工藝推進(jìn)的情況來看，英特爾已經(jīng)落后臺積電兩代。
回想 2014 年英特爾推出首款 14nm 處理器的時候，臺積電還停留在 20nm。只是大家都沒想到英特爾在 14nm 節(jié)點上停留了 5 年，直到 2019 年他們才推出 10nm 的處理器。
在這 5 年時間里，臺積電后來居上，現(xiàn)在已經(jīng)在工藝上領(lǐng)先了英特爾，明年他們就要上馬 3nm 了，而英特爾大概率還會在 10nm 上停留。
看到這里，IT之家小伙伴們可能要問，曾經(jīng)領(lǐng)先的芯片巨頭英特爾，現(xiàn)在怎么就干不過臺積電了？
進(jìn)而就會引出一些問題，例如：英特爾筆記本處理器上的 x 納米和我們手機上的 x 納米是一回事嗎？這 “x 納米”到底代表什么意思？
今天IT之家就和大家一起了解一番。
一、到底什么是芯片的制程工藝？
倒著推，我們首先要知道大家經(jīng)常掛在嘴邊的 “x 納米”、“x 納米”到底是什么。
這個話題講細(xì)了，得涉及到半導(dǎo)體晶體管層面了。
還記得IT之家在《中國芯片新篇（二）：跨越式進(jìn)擊，第三代半導(dǎo)體》這篇文章里和大家講的 “PN 結(jié)”嗎？
大家在閱讀下面的內(nèi)容前，一定先要看上面這篇文章的介紹，因為彼此緊密相連。
“PN 結(jié)”是制造晶體管要利用的基本特性，而晶體管和我們說的 “x 納米”緊密相關(guān)。
晶體管的種類有很多，具體內(nèi)容相當(dāng)復(fù)雜。為了方便大家理解，這里我們只抽取基本的原理來說明。
在上面這篇文章中我們講到，“PN 結(jié)”形成時，我們可以通過外置電壓來控制電流的通斷。
我們以一個 NPN 半導(dǎo)體三極管為例。
它是用兩個 N 型半導(dǎo)體夾住一個 P 型半導(dǎo)體，相當(dāng)于將兩個 PN 結(jié)拼起來，顯然這時候整體是不導(dǎo)電的。
而且，由于這兩個 PN 結(jié)的內(nèi)建電場是相反的，因此無論我們對整體施加正向還是反向的電壓，都只能打通其中一個 PN 結(jié)，無法讓整體導(dǎo)電。
那怎樣讓整體導(dǎo)電呢？答案是需要再增加一個電壓。
例如我們在左邊的 PN 結(jié)中引入電源，其中左邊的 N 型半導(dǎo)體施加負(fù)電壓，P 型半導(dǎo)體施加正電壓。
這時反向的外置電場就會打通左邊的 “PN 結(jié)”，讓自由電子從 N 流向 P。
其中有少許電子會沿著電源正極流向負(fù)極，然后回到 N，如此循環(huán)。
與此同時，在整體上，我們也施加電源，其中左邊的 N 型半導(dǎo)體施加負(fù)電壓，右邊的 N 型半導(dǎo)體施加正電壓，
這時候，剛才從 N 到 P 的電子有很大一部分會在電場力作用下跨過 P，來到 N，然后從電源正極流向負(fù)極，回到左邊的 N。
這時候，整體就導(dǎo)電了。
上面的介紹可能有些繞，大家可以輔助下面這張動圖來看：
調(diào)整第一個電源的電壓，就可以對整體電流起到放大或控制通斷的效果。
這就是晶體管工作的基本原理。
了解了這些，我們就來看看現(xiàn)在常用的 MOSFET（金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）是怎樣的。
下面是一種 NMOSFET 的橫截面圖示：
它由一塊 P 型半導(dǎo)體做襯底，然后在襯底左右兩邊挖兩個溝，“塞進(jìn)”N 型半導(dǎo)體，構(gòu)成了 “NPN”的結(jié)構(gòu)，和我們剛才講的一樣。
左邊的 N 型半導(dǎo)體上有一個電極，我們叫它 “源極（Source）”，右邊的 N 型半導(dǎo)體上也有一個電極，叫做 “漏極（Drain）”，兩者中間還有一個電極，叫 “柵極（Gate）”。
我們的目標(biāo)是讓電子從源極進(jìn)入，經(jīng)過中間的 P 型半導(dǎo)體，從漏極出來。
能出來，說明晶體管通電，代表 “1”；
出不來，說明晶體管斷電，代表 “0”。
我們現(xiàn)在在源極加上負(fù)電壓，漏極加上正電壓，試圖讓晶體管通電。
但是，通過剛才的說明我們知道，由于 “PN 結(jié)”的存在，電子是不能經(jīng)過 P 型半導(dǎo)體抵達(dá)漏極的。也就是沒法通電。
怎么辦呢？
我們就在中間的柵極上加一個正電壓。
參照剛才那個例子，這時候，電子就能穿過 P 型半導(dǎo)體，來到漏極了，也就是半導(dǎo)體通電了。
關(guān)掉柵極上的電壓，就又?jǐn)嚯娏恕?/p>
可以看到，這個柵極很重要，它起到控制晶體管通電和斷電的重要作用。
關(guān)鍵來了：這個柵極的寬度，其實就是我們所說的芯片的制程工藝。
它的寬度為 14nm，就表明這個芯片的制程為 14nm，它的寬度為 5nm，那么這個芯片的制程就是 5nm。
當(dāng)柵極的寬度越窄，晶體管也就能夠做得越小，晶體管越小，單位面積就能放下更多晶體管，芯片的性能就越強。
可是呢，這個柵極寬度并不能做得無限窄，因為柵極變窄的同時，源極和漏極的距離也在變近，當(dāng)距離近到一定程度時，就會發(fā)生彼此漏電的問題。
當(dāng)柵極寬度小于 20nm 的時候，漏電率就會急劇增加；大約小于 7nm 的時候，就會產(chǎn)生量子隧穿效應(yīng)，導(dǎo)致晶體管的特性難以控制。
量子隧穿的事我們先不談，先說第一個漏電率的問題，怎么解決的呢？半導(dǎo)體行業(yè)給出的方案是改造晶體管的結(jié)構(gòu)，采用 3D FinFET。
3D FinFET 其實就上把晶體管的源極和漏極從平面的改成立體的，豎了起來，然后柵極做成三面環(huán)繞源極和漏極的樣子。
整個結(jié)構(gòu)有點像魚鰭，所以也叫鰭型 MOSFET。
這么做的好處是在寬度縮小的同時增加了柵極的接觸面積，從而加強對電流的控制。
這個方案在后續(xù)不斷改進(jìn)中一直撐到今天，當(dāng)然，隨著工藝?yán)^續(xù)縮小，科學(xué)家也在嘗試新的解決方案，這里就不提了。
二、英特爾干不過臺積電和三星？并不是
了解到這里，相信大家對半導(dǎo)體的制程工藝已經(jīng)有了更深刻的認(rèn)識。
但其實，制程工藝，也就是所謂的柵極線寬，并不是影響芯片性能唯一重要的因素。
晶體管要做小，芯片性能要提高，并不是只要把柵極寬度做窄就夠了。
我們再想想，晶體管是什么？在數(shù)字芯片里，就是一個個的小開關(guān)，控制著 “0”、“1”的信號，這樣的小開關(guān)越多，單位時間里就能做更多次的運算，性能也就越高。
所以我們把晶體管做小的目的，就是要在單位面積里塞進(jìn)更多的晶體管，換句話說就是提高晶體管的密度。
這也是英特爾和臺積電、三星們的分歧所在。
其實我們一直說 “制程工藝就是柵極的寬度”，這只是一個定義，理論上是這樣而已。
實際上，在節(jié)點技術(shù)不斷推進(jìn)的過程中，制程工藝的數(shù)字已經(jīng)和柵極的實際寬度漸漸偏離了，只是這個偏離度比較微小。
說白了，就是柵極實際寬度越來越達(dá)不到制程工藝說的那個數(shù)字。
例如半導(dǎo)體分析廠商 ChipWorks、Techinsights 以及 Linley Group 都曾對英特爾、臺積電和三星的芯片做過測量分析。
他們發(fā)現(xiàn)，這三家企業(yè)的芯片實際柵極寬度都達(dá)不到制程工藝號稱的數(shù)字。
例如英特爾的 14 納米在他們的測量結(jié)果中其實為 24 納米，臺積電的 16 納米測得的結(jié)果為 33 納米，而三星第一代 14 納米，實際線寬也有 30 納米。
半導(dǎo)體行業(yè)咨詢公司 The Linley Group 的創(chuàng)始人 Linley Gwennap 在 2016 年也曾對外表示，節(jié)點數(shù)字和實際柵極寬度偏差的情況確實存在。
他說，總體而言，三星當(dāng)時的 14 納米差不多相當(dāng)于英特爾的 20 納米，稱為 17 納米會更好，而臺積電當(dāng)年的 16 納米其實也和英特爾的 20 納米差不多。
2019 年，臺積電研發(fā)負(fù)責(zé)人黃漢森也曾坦誠，他說：
現(xiàn)在描述工藝水平的 XXnm 說法已經(jīng)不科學(xué)，因為它與晶體管柵極已經(jīng)不是絕對相關(guān)，制程節(jié)點已經(jīng)變成了一種營銷游戲，與科技本身的特性沒什么關(guān)系。
為什么會造成這種情況呢？臺灣的《天下雜志》曾經(jīng)刊文透露過一些原因，這和我們前面說的 3D FinFET 工藝有一定關(guān)系。
英特爾最早使用 FinFET 工藝，他們在 22 納米節(jié)點的第三代酷睿處理器上使用 FinFET 工藝，而命名也老老實實地叫 “22 納米 FinFET”。
后來三星和臺積電也跟進(jìn) FinFET，同樣水平的制程節(jié)點，沒想到三星在用上 FinFET 后來了個騷操作，把節(jié)點名字改成了 14 納米，來凸顯新工藝的優(yōu)勢。
臺積電本來打算跟隨英特爾，老老實實命名的，但一看三星改名了，自己也不能吃虧啊，索性折個中，把節(jié)點名字改成了 “16 納米”。
于是制程節(jié)點 “文字游戲”的魔盒就這么被打開了，其實都是為了營銷需要，但效果也很明顯，確實有很多人認(rèn)為臺積電和三星的制程技術(shù)領(lǐng)先了英特爾。
這就讓英特爾很被動了，自己整出了新工藝，最后輸在宣傳上，你說氣不氣？
為這事，英特爾在 2017 年還專門發(fā)文，指出半導(dǎo)體工藝在命名上混亂的狀況，暗示競爭對手不誠實。
他們認(rèn)為，半導(dǎo)體技術(shù)的先進(jìn)性，不僅和柵極寬度有關(guān)，像柵極間距、鰭片間距、最小金屬間距等這些參數(shù)也不容忽視。
這很好理解，大家想晶體管本身就是一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)的器件，要把它做小，光減少柵極寬度是不夠的，得想辦法把整體微縮；
而且那么多晶體管放在一起，彼此之間的距離肯定也要盡可能壓縮，這樣才能在單位面積里塞進(jìn)更多的晶體管……
英特爾列舉的這一串參數(shù)，就是在描述這些。
他們還做過對比，同樣都是 “10 納米”，但英特爾的 10 納米在柵極間距、鰭片間距、最小金屬間距這些關(guān)鍵參數(shù)的表現(xiàn)上都要優(yōu)于三星和臺積電。
這意味著，在單位面積里，英特爾的 10 納米工藝能塞進(jìn)更多的晶體管，晶體管數(shù)量越多，性能也就越強。
這才是我們把晶體管做小的最終目的。
換句話說，如果芯片尺寸不變，能讓芯片性能變強的，其實就是 “晶體管密度”。
為此，英特爾還專門給出了一個他們認(rèn)為是衡量半導(dǎo)體工藝水平好方法的公式：
這個公式大家不用了解，畢竟三星和臺積電顯然也并不在意，他們已經(jīng)在 “數(shù)字壓制”的游戲中嘗到了甜頭，回頭是不可能回頭的。
不過老實說，英特爾這邊也挺不爭氣，后來在 14 納米的節(jié)點上打磨了 5 年，切切實實給了臺積電和三星追趕的機會，后者在 7nm、5nm 甚至 3nm 工藝上的積極布局有目共睹，取得的成績也很不錯，特別是臺積電，目前整體工藝水平上已經(jīng)趕超英特爾，畢竟英特爾的 7nm 還在難產(chǎn)，而臺積電已經(jīng)推到了 5nm，就算命名有水分，但代際之間的差距終歸明顯。
所以，綜上所言，說英特爾已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后臺積電、三星，并不準(zhǔn)確，因為制程節(jié)點的名稱已經(jīng)不能完全代表半導(dǎo)體公司的水平，英特爾雖然在工藝節(jié)點上落后了，但也遠(yuǎn)沒有輿論里的那么不堪。
但另一方面，當(dāng)下英特爾著實已經(jīng)幾乎沒有優(yōu)勢，壓力也確實在英特爾這邊。臺積電、三星在半導(dǎo)體技術(shù)上的進(jìn)步非常明顯，英特爾萬一在 10 納米上再擠幾年牙膏，那真的就要被競爭對手甩開了。
參考
超能網(wǎng)，2017-3-29，《TSMC、三星先進(jìn)工藝狂飆，Intel說大家能不能誠實點？》
曲博彩虹教室，2016-10-8，《HD2_金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)電晶體00723》
電子發(fā)燒友，2018-06-13 ，《揭秘納米制程工藝背后的虛與實》
電子工程世界，2016-07-19，《臺積電真的超越英特爾？大客戶這樣吐槽》
廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。