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[導(dǎo)讀]最近,我們耳聞了關(guān)于摩爾定律的許多討論。不幸的是,其中大部分觀點(diǎn)是錯誤的。有人說,摩爾定律不再重要了,并認(rèn)為它純粹是一個技術(shù)問題,或者只是幾家巨頭間的競賽。還有人說,除了某幾個特定領(lǐng)域,遵循摩爾定律已讓成本太過高昂。更有人說,摩爾定律已死。真相究竟是什么?讓我們來厘清事實(shí)。

最近,我們耳聞了關(guān)于摩爾定律的許多討論。不幸的是,其中大部分觀點(diǎn)是錯誤的。有人說,摩爾定律不再重要了,并認(rèn)為它純粹是一個技術(shù)問題,或者只是幾家巨頭間的競賽。還有人說,除了某幾個特定領(lǐng)域,遵循摩爾定律已讓成本太過高昂。更有人說,摩爾定律已死。真相究竟是什么?讓我們來厘清事實(shí)。

摩爾定律并未終結(jié)

首先,摩爾定律至關(guān)重要。

摩爾定律使計算得以普及。它是一個非常強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)學(xué)定律:按照特定節(jié)奏推動半導(dǎo)體制造能力的進(jìn)步,我們就可以降低任何依賴于計算的商業(yè)模式的成本。想象一下,如果其它行業(yè)以摩爾定律的速度進(jìn)行創(chuàng)新——性能每兩年翻一番,那會發(fā)生什么?汽車能效:現(xiàn)在只需一加侖汽油,即可行駛相當(dāng)于地球和太陽之間的距離;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力:現(xiàn)在只用一平方公里土地,即可養(yǎng)活全部地球人;太空旅行:速度現(xiàn)在可以提升至300倍光速。

歸根結(jié)底,這些經(jīng)濟(jì)效益使摩爾定律成為全球經(jīng)濟(jì)的根本動力,使人們能夠相互連接、進(jìn)行娛樂和學(xué)習(xí)。通過逐年提升計算力,世界各地的創(chuàng)新者可以多快好省地利用計算演進(jìn)周期來解決全球范圍內(nèi)的重大問題,從而讓生活更美好。

其次,在當(dāng)今世界,僅有幾家公司有能力實(shí)現(xiàn)摩爾定律的效益。

逐一實(shí)現(xiàn)全新的制程節(jié)點(diǎn)變得愈加困難,成本也更加昂貴。僅僅是把設(shè)備安裝到已有晶圓廠中,就要花費(fèi)70億美元。這也意味著半導(dǎo)體制造業(yè)將繼續(xù)整合,因?yàn)樵絹碓缴俚墓灸艹袚?dān)得起推進(jìn)摩爾定律的成本。英特爾每年都讓產(chǎn)品價格更低、性能更強(qiáng)。推進(jìn)摩爾定律的能力是我們的核心競爭力。

第三,摩爾定律帶來的不是一場競賽。

在整個產(chǎn)業(yè)界確立高標(biāo)準(zhǔn)需要不同公司通力協(xié)作,因?yàn)樾g(shù)業(yè)有專攻。英特爾過去、現(xiàn)在與未來都是摩爾定律的引領(lǐng)者。目前,我們在制程技術(shù)上擁有三年左右的領(lǐng)先優(yōu)勢。

英特爾的引領(lǐng)地位在新聞報道中似乎不太顯著。16納米、14納米、10納米、7納米,看起來像是一場賽馬。問題在于,這些制程節(jié)點(diǎn)數(shù)字曾經(jīng)有著真實(shí)的物理意義,但現(xiàn)在已不是那么回事了。我們需要有一個指標(biāo)來描述某種制程的性能,為芯片設(shè)計者展現(xiàn)可用的晶體管密度。英特爾制程專家馬博(Mark Bohr)在我們第一屆“技術(shù)與制造日”活動中就描述了這樣一個指標(biāo)。

這給我們提出了一個大疑問:摩爾定律是否會終結(jié)?我們已經(jīng)看到,摩爾定律不會因?yàn)闊o用而結(jié)束,它的進(jìn)步也不會因?yàn)榻?jīng)濟(jì)效益不足而受阻。但物理學(xué)方面呢?摩爾定律是否會導(dǎo)致晶體管最終比原子還小?

誠然,有一天我們可能會達(dá)到物理極限,但目前還看不到終點(diǎn)。記得在1990年,當(dāng)晶圓上的晶體管大小達(dá)到用以印刷它們的光的波長(193納米)時,物理學(xué)界明確指出:我們不能再向前推進(jìn)了。

但是我們突破了那個挑戰(zhàn):我們使用掩模圖形產(chǎn)生的干涉光柵進(jìn)行印刷,開發(fā)了計算型光刻技術(shù)和多重曝光。回想起來,193納米甚至稱不上是減速帶,我們目前的制程比當(dāng)時還要小20倍。這得益于我們持續(xù)的創(chuàng)新。比如目前在14納米制程中使用的鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)和超微縮技術(shù)(hyper scaling)。升級版的超微縮技術(shù)已應(yīng)用在我們即將量產(chǎn)的10納米制程,而得益于這一新的工藝突破,我們可以維持每百萬晶體管的成本不變。

這一切是如何實(shí)現(xiàn)的?一如既往,英特爾通過發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)所在,各個擊破解決問題,不斷突破各種障礙。最近,我們又迎來必須盡快突破的一個具體挑戰(zhàn),那就是7納米制程。進(jìn)而我們發(fā)現(xiàn),這些挑戰(zhàn)可能有多種備選解決方案。我們努力嘗試所有可能方案,直到找到一個最有效的方法。英特爾一直要求自己前瞻三代制程,這意味著要提前看到7到9年后的技術(shù)。目前,我們已著眼7納米和5納米制程。我們可能還無法確切知道哪種方案最適合5納米,但在這些挑戰(zhàn)中,英特爾矢志創(chuàng)新,生生不息。

我們對未來的信心不只限于制程研發(fā),也包括我們獨(dú)一無二的設(shè)計和制造的整合優(yōu)勢,這讓我們在復(fù)雜的情況下加速創(chuàng)新發(fā)展,為客戶持續(xù)提供領(lǐng)先的產(chǎn)品。

所以,摩爾定律在任何可預(yù)見的未來都不會終結(jié)。我們將繼續(xù)把新的制程工藝投入生產(chǎn),并做好準(zhǔn)備迎接不斷增長的代工業(yè)務(wù)。事實(shí)上,英特爾還推出了一項(xiàng)新的代工服務(wù):超低功耗22納米FinFET制程(22FFL)。我們一直在進(jìn)步,英特爾作為行業(yè)和技術(shù)的引領(lǐng)者,將在改進(jìn)人們的生活方面繼續(xù)發(fā)揮重要作用。

制程節(jié)點(diǎn)命名的規(guī)則

英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾在半世紀(jì)前提出的摩爾定律,是指每代制程技術(shù)都要讓芯片上的晶體管數(shù)量翻一番。縱觀芯片創(chuàng)新歷史,業(yè)界一直遵循這一定律,并按前一代制程的0.7倍對新制程節(jié)點(diǎn)命名,這種線性升級正好帶來晶體管集成密度翻番。因此,出現(xiàn)了90納米、65納米、45納米、32納米——每一代制程節(jié)點(diǎn)都能在給定面積上,容納比前一代多一倍的晶體管。

但是最近,也許是因?yàn)檫M(jìn)一步的制程升級越來越難,一些公司背離了摩爾定律的法則。即使晶體管密度增加很少,或者根本沒有增加,但他們?nèi)岳^續(xù)推進(jìn)采用新一代制程節(jié)點(diǎn)命名。結(jié)果導(dǎo)致制程節(jié)點(diǎn)名稱根本無法正確體現(xiàn)這個制程位于摩爾定律曲線的哪個位置。

行業(yè)亟需一種標(biāo)準(zhǔn)化的晶體管密度指標(biāo),以便各個廠商公平競爭??蛻魬?yīng)能夠隨時比較芯片制造商不同制程的產(chǎn)品,以及不同芯片制造商的同代產(chǎn)品。挑戰(zhàn)在于,半導(dǎo)體制程以及各種設(shè)計日益復(fù)雜。

一種簡單的指標(biāo)就是用柵極距(柵極寬度再加上晶體管柵極之間的間距)乘以最小金屬距(互連線寬度加上線間距),但是這并不包含邏輯單元設(shè)計,而邏輯單元設(shè)計才會影響真正的晶體管密度。另一種指標(biāo)——柵極距乘以邏輯單元高度——是糾正上述缺陷而朝著正確方向邁出的一步。但是這兩種指標(biāo),都沒有充分考慮到一些二階設(shè)計規(guī)則。它們都不能真正衡量實(shí)際實(shí)現(xiàn)的晶體管密度,因?yàn)樗鼈兌紱]有試圖說明設(shè)計庫中不同類型的邏輯單元。此外,這些指標(biāo)量化了比較上一代的相對密度,而真正需要的是給定面積(每平方毫米)內(nèi)的晶體管絕對數(shù)量。在另一種極端條件下,用一個芯片的晶體管總數(shù)除以面積毫無意義,因?yàn)榇罅吭O(shè)計決策都會對它產(chǎn)生影響——例如緩存大小和性能目標(biāo)等因素,都會導(dǎo)致這個值發(fā)生巨大變化。是時候讓我們重新啟用曾經(jīng)流行但一度“失寵”的一個指標(biāo)了,它基于標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元的晶體管密度,并包含決定典型設(shè)計的權(quán)重因素。盡管任何設(shè)計庫中都有各種標(biāo)準(zhǔn)單元,但是我們可以拿出一個普及的、非常簡單的單元——2輸入 NAND單元(4個晶體管),以及一個更為復(fù)雜、但也非常常見的單元:掃描觸發(fā)器(SFF)。這能夠推導(dǎo)出之前接受的晶體管密度測量公式。

 

(權(quán)重0.6和0.4反映一個典型設(shè)計中非常小和非常大的單元的比率)

每個芯片制造商在提到制程節(jié)點(diǎn)時,都應(yīng)披露用這個簡單公式所測算出的MTr/mm2 (每平方毫米晶體管數(shù)量(單位:百萬))單位中邏輯晶體管密度。逆向工程公司可隨時驗(yàn)證這個數(shù)據(jù)。

還缺失一個重要的指標(biāo):SRAM單元尺寸。由于不同的芯片中有各種SRAM到邏輯比率,最好在NAND+SFF密度指標(biāo)旁邊,分別標(biāo)注SRAM單元尺寸。

通過這些指標(biāo),我們可以撥開迷霧,厘清制程節(jié)點(diǎn)命名的混亂狀況,從而專心致志推動摩爾定律向前發(fā)展。

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