【E問(wèn)E答】半導體新制程節點(diǎn)定位命名誰(shuí)說(shuō)的算數？

　　半導體制程節點(diǎn)名稱(chēng)出現前所未有的“增生”情況，產(chǎn)業(yè)界需要一種優(yōu)良的公用性能基準，才能對不同業(yè)者的半導體制程技術(shù)進(jìn)行比較。

　　這段時(shí)間以來(lái)，晶圓代工業(yè)者紛紛將他們自己的最新制程節點(diǎn)以自己想要的市場(chǎng)定位來(lái)命名，并非依據任何透明化的性能基準，而現在該是時(shí)候阻止這種“欺騙”行為。

　　英特爾(Intel)最近提出了一種簡(jiǎn)單、但在某種程度上有點(diǎn)“自私自利”的電晶體密度量測標準，其他晶圓代工競爭對手則以“震耳欲聾的沉默”回應;筆者猜測，這是因為英特爾的電晶體密度確實(shí)具備領(lǐng)先水準，而這是其他競爭者不愿意承認的。

　　最近英特爾決定公開(kāi)10納米制程包括鰭片(fin)間距、高度與最小金屬/邏輯閘間距等量測數據;雖然該節點(diǎn)還未開(kāi)始量產(chǎn)，但這個(gè)行為值得稱(chēng)贊。上述量測數據是所有的晶圓代工廠(chǎng)在首度發(fā)表一個(gè)新制程節點(diǎn)時(shí)，應該要提供的基本細節。

　　不過(guò)，從這類(lèi)量測數據與電晶體密度衍生出的資訊無(wú)法窺得制程性能之全貌──如果無(wú)法讓電晶體支援明顯更高的速度或更低的功耗，無(wú)論它們密度有多高都沒(méi)用。

　　時(shí)間倒回2009年，當時(shí)ARM的技術(shù)長(cháng)Mike Muller創(chuàng )造了“暗矽(dark silicon)”這個(gè)新名詞，表示根據他的觀(guān)察，工程師們正往裸晶上納入更多電晶體，但缺乏能讓眾多電晶體開(kāi)啟的電源預算(power budget)。

　　英特爾的電晶體密度量測還有進(jìn)步的空間，因為缺乏相關(guān)聯(lián)的性能/功率方程式，還是無(wú)法讓人縱覽全局;在過(guò)去幾年，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)采納了用PPA指標──性能(performance)、功耗(power)與面積(area)──來(lái)量測半導體制程節點(diǎn)。

　　對此產(chǎn)業(yè)顧問(wèn)機構International Business Strategies (IBS)建議，以“有效邏輯閘(effective gates)”做為量測基準;該機構執行長(cháng)Handel Jones解釋?zhuān)行н壿嬮l就是計算可用的邏輯閘數(英特爾的量測包含此項)，還有邏輯閘利用率與良率。

　　但他也指出，雖然可用邏輯閘數對量測制程性能有幫助，仍只能顯現“冰山的一角”，其中的困難在于：“廠(chǎng)商對于良率資訊非常保密，除非是單閘成本(cost per gate);但良率是非常關(guān)鍵的量測指標，會(huì )受到缺陷率(D0)以及參數性/系統性(parametric/ systemic)良率影響。”還關(guān)系到客戶(hù)會(huì )花多長(cháng)的時(shí)間拿到芯片。

　　針對英特爾提出的制程量測基準，有幾位讀者提供了他們的看法;有一位讀者呼吁以奈秒(nanoseconds)/mm2為單位的RC時(shí)間延遲做為基準：“如果我們使用每單位長(cháng)度的電容與電阻。”另一位讀者則認為，英特爾的量測基準并不實(shí)用，因為并沒(méi)有包括標準單元軌(standard cell tracks)資訊。

　　還有讀者表示，真正的量測應該是制程加上程式庫共同運作的表現，以及各種設計類(lèi)型的性能標準：“我會(huì )想知道在實(shí)際的合成設計，像是大型ARM核心或x86核心SoC，在相同的時(shí)脈速率下，英特爾的程式庫/制程，與ARM/臺積電(TSMC)程式庫/制程的比較。”

　　有多位讀者都同意，最終每個(gè)節點(diǎn)的性能表現，還是得在以該制程生產(chǎn)的芯片銷(xiāo)售到市場(chǎng)上之后才能被實(shí)際檢驗;他們也觀(guān)察到臺積電與三星(Samsung)今年準備量產(chǎn)他們稱(chēng)為7納米的制程，而英特爾則是量產(chǎn)該公司稱(chēng)為10納米的制程。

　　資深市場(chǎng)分析師Linley Gwennap表示，英特爾的電晶體密度量測應該要與SRAM單元尺寸綜合，才能顯示完整的SoC尺寸全貌，特別是包含大量記憶體的處理器;他也呼吁晶圓代工業(yè)者應該提供有關(guān)他們制程節點(diǎn)的更多資料。

　　IBS建議芯片設計業(yè)者在選擇制程時(shí)考量此表格中的量測基準(來(lái)源：IBS)

　　越來(lái)越多的制程選項讓芯片業(yè)者霧煞煞

　　目前半導體產(chǎn)業(yè)界對晶圓代工制程性能量測基準的迫切需求是前所未見(jiàn);像是在3月，臺積電就發(fā)表了三種新制程：22納米、12納米以及7+納米，此外該公司還有多種現有的16納米節點(diǎn)與10納米節點(diǎn)制程技術(shù)選項準備在今年量產(chǎn)。身為晶圓代工產(chǎn)業(yè)龍頭的臺積電想要以多種選項通吃市場(chǎng)，但有時(shí)只能硬擠出個(gè)位數字的性能提升。

　　在此同時(shí)，另一家晶圓代工業(yè)者Globalfoundries的22納米FD-SOI制程受到各家媒體熱烈報導，甚至刺激英特爾從最尖端制程節點(diǎn)往后退了幾步、發(fā)表低功耗22納米FinFET制程。

　　晶圓代工大廠(chǎng)們約會(huì )在2020年開(kāi)始采用極紫外光(EUV)微影技術(shù)，而來(lái)自不同廠(chǎng)商的首批EUV制程可能會(huì )有很大差異，端看他們如何采用這種關(guān)鍵新工具。因此，無(wú)晶圓廠(chǎng)芯片設計業(yè)者，需要一種透明化方法來(lái)比較各種制程選項的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　然而，活躍于這個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)組織，如GSA、SEMI與IEEE等，似乎并沒(méi)有在這方面做任何努力;其中代表無(wú)晶圓廠(chǎng)芯片業(yè)者的GSA特別應該要率先挺身而出，但針對此一議題，筆者嘗試聯(lián)絡(luò )幾位GSA代表，到目前為止都還沒(méi)有收到回應。

　　可以理解這是一個(gè)高度競爭的產(chǎn)業(yè)，因此充斥著(zhù)各種商業(yè)機密;到目前為止，高通(Qualcomm)婉拒了筆者想了解該公司如何比較制程技術(shù)的采訪(fǎng)，Nvdia與聯(lián)發(fā)科(MediaTek)也沒(méi)有回應我的采訪(fǎng)邀約。這并不令人驚訝，他們可以借由“明智地”選擇制程技術(shù)，取得不想放棄的戰略?xún)?yōu)勢;在很多案例中，商業(yè)標準與技術(shù)標準的重要性可能是差不多的。

　　當蘋(píng)果(Apple)選擇臺積電做為應用處理器代工伙伴，三星一年損失的訂單金額高達數千萬(wàn)美元;但有趣的是，幾乎在同一時(shí)間，高通開(kāi)始委托三星以14納米與10納米制程，生產(chǎn)其多款Snapdragon處理器，而且三星成為第一家采用10納米Snapdragon 835芯片的手機業(yè)者(在Galaxy S8智慧型手機)。

　　半導體制造會(huì )牽涉到高科技領(lǐng)域中最復雜的技術(shù)-商業(yè)決策，影響范圍涵蓋廣泛的系統、軟件與全球各地的服務(wù)市場(chǎng)。但這個(gè)產(chǎn)業(yè)需要一些公用的性能量測基準，以理解不斷增生的制程技術(shù)選項;晶圓代工業(yè)者需要負起責任，提供相關(guān)量測指標數據。

　　英特爾對10納米制程細節與電晶體密度數據的公布是一個(gè)開(kāi)始，其他晶圓代工大廠(chǎng)應該要跟進(jìn)，并繼續邁出大步，提供制程相關(guān)性能與功耗等量測基準;但筆者并不預期廠(chǎng)商們會(huì )這么做，除非他們確實(shí)面臨到壓力。而現在該是像GSA等組織或任何其他人站出來(lái)發(fā)聲，打破沉默的時(shí)候了!