摩爾定律并未終結！撥開(kāi)迷霧看制程節點(diǎn)命名的貓膩

　　最近以來(lái)，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(guān)點(diǎn)是錯誤的。有人說(shuō)，摩爾定律不再重要了，并認為它純粹是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，或者只是幾家巨頭間的競賽。還有人說(shuō)，除了某幾個(gè)特定領(lǐng)域，遵循摩爾定律已讓成本太過(guò)高昂。更有人說(shuō)，摩爾定律已死。真相究竟是什么?讓我們來(lái)厘清事實(shí)。

　　摩爾定律并未終結

　　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(gè)非常強大的經(jīng)濟學(xué)定律：按照特定節奏推動(dòng)半導體制造能力的進(jìn)步，我們就可以降低任何依賴(lài)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?jì)赡攴环?，那?huì )發(fā)生什么?汽車(chē)能效：現在只需一加侖汽油，即可行駛相當于地球和太陽(yáng)之間的距離;農業(yè)生產(chǎn)力：現在只用一平方公里土地，即可養活全部地球人;太空旅行：速度現在可以提升至300倍光速。

　　歸根結底，這些經(jīng)濟效益使摩爾定律成為全球經(jīng)濟的根本動(dòng)力，使人們能夠相互連接、進(jìn)行娛樂(lè )和學(xué)習。通過(guò)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(lái)解決全球范圍內的重大問(wèn)題，從而讓生活更美好。

　　其次，在當今世界，僅有幾家公司有能力實(shí)現摩爾定律的效益。

　　逐一實(shí)現全新的制程節點(diǎn)變得愈加困難，成本也更加昂貴。僅僅是把設備安裝到已有晶圓廠(chǎng)中，就要花費70億美元。這也意味著(zhù)半導體制造業(yè)將繼續整合，因為越來(lái)越少的公司能承擔得起推進(jìn)摩爾定律的成本。英特爾每年都讓產(chǎn)品價(jià)格更低、性能更強。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(lái)的不是一場(chǎng)競賽。

　　在整個(gè)產(chǎn)業(yè)界確立高標準需要不同公司通力協(xié)作，因為術(shù)業(yè)有專(zhuān)攻。英特爾過(guò)去、現在與未來(lái)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(zhù)。16納米、14納米、10納米、7納米，看起來(lái)像是一場(chǎng)賽馬。問(wèn)題在于，這些制程節點(diǎn)數字曾經(jīng)有著(zhù)真實(shí)的物理意義，但現在已不是那么回事了。我們需要有一個(gè)指標來(lái)描述某種制程的性能，為芯片設計者展現可用的晶體管密度。英特爾制程專(zhuān)家馬博(Mark Bohr)在我們第一屆“技術(shù)與制造日”活動(dòng)中就描述了這樣一個(gè)指標。

　　這給我們提出了一個(gè)大疑問(wèn)：摩爾定律是否會(huì )終結?我們已經(jīng)看到，摩爾定律不會(huì )因為無(wú)用而結束，它的進(jìn)步也不會(huì )因為經(jīng)濟效益不足而受阻。但物理學(xué)方面呢?摩爾定律是否會(huì )導致晶體管最終比原子還小?

　　誠然，有一天我們可能會(huì )達到物理極限，但目前還看不到終點(diǎn)。記得在1990年，當晶圓上的晶體管大小達到用以印刷它們的光的波長(cháng)(193納米)時(shí)，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(gè)挑戰：我們使用掩模圖形產(chǎn)生的干涉光柵進(jìn)行印刷，開(kāi)發(fā)了計算型光刻技術(shù)和多重曝光?；叵肫饋?lái)，193納米甚至稱(chēng)不上是減速帶，我們目前的制程比當時(shí)還要小20倍。這得益于我們持續的創(chuàng )新。比如目前在14納米制程中使用的鰭式場(chǎng)效應晶體管(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(wàn)晶體管的成本不變。

　　這一切是如何實(shí)現的?一如既往，英特爾通過(guò)發(fā)現挑戰所在，各個(gè)擊破解決問(wèn)題，不斷突破各種障礙。最近，我們又迎來(lái)必須盡快突破的一個(gè)具體挑戰，那就是7納米制程。進(jìn)而我們發(fā)現，這些挑戰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(gè)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(zhù)要提前看到7到9年后的技術(shù)。目前，我們已著(zhù)眼7納米和5納米制程。我們可能還無(wú)法確切知道哪種方案最適合5納米，但在這些挑戰中，英特爾矢志創(chuàng )新，生生不息。

　　我們對未來(lái)的信心不只限于制程研發(fā)，也包括我們獨一無(wú)二的設計和制造的整合優(yōu)勢，這讓我們在復雜的情況下加速創(chuàng )新發(fā)展，為客戶(hù)持續提供領(lǐng)先的產(chǎn)品。

　　所以，摩爾定律在任何可預見(jiàn)的未來(lái)都不會(huì )終結。我們將繼續把新的制程工藝投入生產(chǎn)，并做好準備迎接不斷增長(cháng)的代工業(yè)務(wù)。事實(shí)上，英特爾還推出了一項新的代工服務(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發(fā)揮重要作用。

　　制程節點(diǎn)命名的規則

　　英特爾聯(lián)合創(chuàng )始人戈登·摩爾在半世紀前提出的摩爾定律，是指每代制程技術(shù)都要讓芯片上的晶體管數量翻一番?？v觀(guān)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倍對新制程節點(diǎn)命名，這種線(xiàn)性升級正好帶來(lái)晶體管集成密度翻番。因此，出現了90納米、65納米、45納米、32納米——每一代制程節點(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，也許是因為進(jìn)一步的制程升級越來(lái)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(méi)有增加，但他們仍繼續推進(jìn)采用新一代制程節點(diǎn)命名。結果導致制程節點(diǎn)名稱(chēng)根本無(wú)法正確體現這個(gè)制程位于摩爾定律曲線(xiàn)的哪個(gè)位置。

　　行業(yè)亟需一種標準化的晶體管密度指標，以便各個(gè)廠(chǎng)商公平競爭?？蛻?hù)應能夠隨時(shí)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。挑戰在于，半導體制程以及各種設計日益復雜。

　　一種簡(jiǎn)單的指標就是用柵極距(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(xiàn)寬度加上線(xiàn)間距)，但是這并不包含邏輯單元設計，而邏輯單元設計才會(huì )影響真正的晶體管密度。另一種指標——柵極距乘以邏輯單元高度——是糾正上述缺陷而朝著(zhù)正確方向邁出的一步。但是這兩種指標，都沒(méi)有充分考慮到一些二階設計規則。它們都不能真正衡量實(shí)際實(shí)現的晶體管密度，因為它們都沒(méi)有試圖說(shuō)明設計庫中不同類(lèi)型的邏輯單元。此外，這些指標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)內的晶體管絕對數量。在另一種極端條件下，用一個(gè)芯片的晶體管總數除以面積毫無(wú)意義，因為大量設計決策都會(huì )對它產(chǎn)生影響——例如緩存大小和性能目標等因素，都會(huì )導致這個(gè)值發(fā)生巨大變化。是時(shí)候讓我們重新啟用曾經(jīng)流行但一度“失寵”的一個(gè)指標了，它基于標準邏輯單元的晶體管密度，并包含決定典型設計的權重因素。盡管任何設計庫中都有各種標準單元，但是我們可以拿出一個(gè)普及的、非常簡(jiǎn)單的單元——2輸入 NAND單元(4個(gè)晶體管)，以及一個(gè)更為復雜、但也非常常見(jiàn)的單元：掃描觸發(fā)器(SFF)。這能夠推導出之前接受的晶體管密度測量公式。

　　(權重0.6和0.4反映一個(gè)典型設計中非常小和非常大的單元的比率)

　　每個(gè)芯片制造商在提到制程節點(diǎn)時(shí)，都應披露用這個(gè)簡(jiǎn)單公式所測算出的MTr/mm2 (每平方毫米晶體管數量(單位：百萬(wàn)))單位中邏輯晶體管密度。逆向工程公司可隨時(shí)驗證這個(gè)數據。

　　還缺失一個(gè)重要的指標：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密度指標旁邊，分別標注SRAM單元尺寸。

　　通過(guò)這些指標，我們可以撥開(kāi)迷霧，厘清制程節點(diǎn)命名的混亂狀況，從而專(zhuān)心致志推動(dòng)摩爾定律向前發(fā)展。