摩爾定律并未終結(jié)！撥開迷霧看制程節(jié)點(diǎn)命名的貓膩

　　最近以來，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，因為越來越少的公司能承擔(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，因為術(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，摩爾定律不會因為無用而結(jié)束，它的進(jìn)步也不會因為經(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?；叵肫饋?，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，也許是因為進(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，因為它們都沒有試圖說明設(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，因為大量設(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。