英特爾首個使用EUV的工藝：退鈷還銅

發(fā)布人：旺材芯片時間：2022-06-22 來源：工程師

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來源：半導(dǎo)體芯聞

在 2019 年初，英特爾終于公開承認(rèn)他們搞砸了——他們雄心勃勃的 10 納米工藝失敗了。這主要?dú)w因于其瘋狂的密度改進(jìn)目標(biāo)以及太多新穎的技術(shù)特征證明。伺候，該公司承諾通過更平衡的 PPA 和衡量的風(fēng)險承擔(dān)恢復(fù)到更規(guī)律的節(jié)點(diǎn)更新節(jié)奏來糾正這一問題。歷經(jīng)兩次的CEO 更換，在 Gelsinger 的監(jiān)督下，我們終于看到了芯片巨頭為重回正軌所做的一些努力。

在本周早些時候在夏威夷舉行的 2022 年 IEEE VLSI 技術(shù)和電路研討會上，英特爾展示了許多涉及其英特爾 4 工藝的論文。這些論文主要由英特爾公司技術(shù)開發(fā)副總裁 Ben Sell 發(fā)表。

Intel 4

這個新節(jié)點(diǎn)稱為 Intel 4。出于所有實(shí)際目的，它是適當(dāng)?shù)?10 納米繼任者。換句話說，如果它在 2020 年發(fā)布，它應(yīng)該被正確地稱為“7nm”。今天，它被稱為“Intel 4”，是“Intel 7”（以前稱為“10nm Enhanced SuperFin”，以前稱為“10nm++”）的繼任者。

Intel 4 很好但很奇怪，真的很奇怪。在時間方面，英特爾預(yù)計這一制程將在今年晚些時候加速——這意味著會是明年產(chǎn)品使用的工藝。如果一切按計劃進(jìn)行，Intel 4 的繼任者“Intel 3”將在幾乎整整一年之后（2023 年底開始升級）。這應(yīng)該開始讓您了解英特爾如何看待這個制程。

在深入研究細(xì)節(jié)之前，我們想強(qiáng)調(diào)一下Intel 4 并非設(shè)計為一個典型的成熟（full-fledged）節(jié)點(diǎn)。雖然它是一個高容量（high-volume ）節(jié)點(diǎn)，但它可以在其上制作的內(nèi)容非常有限（因此可能會大大限制其容量）。例如。它不會提供許多您通常會從英特爾節(jié)點(diǎn)看到的大型庫，例如高密度和中檔性能密度庫，這些庫對圖形和其他應(yīng)用程序等事物很重要，但對 CPU 核心設(shè)計來說，這并不重要。

從這個角度看，英特爾的這個節(jié)點(diǎn)是為為那些想把使用不同工藝的chiplet合封到一起的compute tile而準(zhǔn)備的。

從小處著手，讓它發(fā)揮作用，建立起來

Intel 4 代表了公司處理其節(jié)點(diǎn)設(shè)計方式的范式轉(zhuǎn)變。
從歷史上看，該公司專注于推出傳統(tǒng)上所謂的全節(jié)點(diǎn)——大約每兩年推出一個節(jié)點(diǎn)，帶來整整一代的改進(jìn)。代工廠（例如，臺積電以及十年前的富士通、東芝、NEC 等）過去常常引入稱為半節(jié)點(diǎn)的后續(xù)節(jié)點(diǎn)，這將進(jìn)一步改進(jìn)節(jié)點(diǎn)以及較小的間距縮放。
前提很簡單：擴(kuò)展和增強(qiáng)現(xiàn)有的高收益節(jié)點(diǎn)既便宜又容易。
而傳統(tǒng)的“全節(jié)點(diǎn)”和“半節(jié)點(diǎn)”模型被淘汰了。隨著最近 FinFET 節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性激增，代工廠轉(zhuǎn)向新的“nodelet”方案。在此模型下，首先引入一個基本節(jié)點(diǎn)（例如，7LPP 或 N7），然后由一個或多個增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)（nodelet）接替，幾乎每年都會帶來微小但增量的變化（例如，N7P、N7+、 N6，6LPP）。
快速接替Intel 4 的是Intel 3，預(yù)計將在明年年底推出。該公司表示，該制程將引入新的庫，在密度、功率和性能方面都比Intel 4 有所提高。此外，Intel 4 與Intel 3 向前兼容，使設(shè)計遷移更容易。更重要的是，Intel 3 將擁有完整的代工產(chǎn)品。
在許多方面可以看出，英特爾都在借鑒代工手冊。很明顯，他們正在限制Intel 4 特性和功能的復(fù)雜性以降低風(fēng)險。此外，他們今年推出 Intel 4 的能力將對他們明年按時將 Intel 3 推向市場的能力發(fā)揮重要作用，而正確執(zhí)行是最重要的。他們的目標(biāo)是構(gòu)建更廣泛、改進(jìn)的功能組合、庫、和其他 IP ，這在成熟的制程中要容易得多，并且這是解決此問題的正確方法。鑒于Intel 3 被定位為英特爾代工服務(wù) (IFS) 的初始旗艦節(jié)點(diǎn)，這一點(diǎn)至關(guān)重要。
由于Intel 4 的范圍有限，并且其快速跟進(jìn)的成熟Intel 3 節(jié)點(diǎn)具有全節(jié)點(diǎn)密度/PPA 特性，我們認(rèn)為最好將Intel 4 視為臨時權(quán)宜之計節(jié)點(diǎn)。

產(chǎn)品

最初，英特爾透露 Meteor Lake 客戶端 SoC 和 Granite Rapids 數(shù)據(jù)中心 SoC 都將在Intel 4 工藝上制造。然而，在今年早些時候的公司 2022 年投資者會議上，該公司宣布Granite Rapids的制造工藝將從Intel 4 升級到Intel 3 制程。出于我們今天對Intel 4 和Intel 3 之間關(guān)系的了解，這種切換對于Granite Rapids來說更有意義。
在諸如 IEEE VLSI Symposium 等技術(shù)會議上，英特爾通常將其演講的范圍僅限于其工藝的技術(shù)方面。在這個相當(dāng)罕見和不尋常的場合，Sell 談到了即將推出的第一款 Intel 4 產(chǎn)品——Meteor Lake。采用 Intel 4 的 Meteor Lake 將成為 3D foveros 封裝技術(shù)的量產(chǎn)產(chǎn)品。Intel 4 支持最新的封裝技術(shù)，并為 Foveros 提供了更激進(jìn)的微凸點(diǎn)間距——從 50μm 擴(kuò)展到 36μm。Meteor Lake 包含一個圖形tiles、SoC tiles、計算tiles和 I/O tiles，所有這些都位于一個 Si 中介層上。Meteor Lake 封裝和 die shot 如下所示。

制程概述

Intel 4（連同其增強(qiáng)版 Intel 3）是 Intel 最后一個基于 FinFET 的節(jié)點(diǎn)。在高層次上，這是繼 22nm、14nm 和 10nm 之后第四個使用 FinFET 的主要節(jié)點(diǎn)。據(jù)說該工藝?yán)昧说诙?COAG 和第二代單虛擬門（ single dummy gate）。英特爾聲稱新的Intel 4 工藝為高性能庫提供了大約 2 倍的面積擴(kuò)展。最后，值得強(qiáng)調(diào)的是，這是該公司的首個 EUV 支持的工藝，有望顯著簡化工藝。

極紫外 (EUV) 光刻
自對準(zhǔn)四邊形圖案 (SAQP)
有源柵極接觸 (COAG)
單虛擬門 (SDB)
增強(qiáng)型銅互連

在晶體管級別，各種間距適度縮小。例如，與 Intel 7 相比，Intel 4 的鰭片間距為 30 納米，柵極間距為 50 納米，分別縮小了 0.83 倍和 0.88 倍。互連堆棧經(jīng)歷了一些更重要的變化，包括材料變化。例如，M0 金屬間距經(jīng)歷了較大的間距從 40 nm 縮小到 30 nm 或 0.75 倍。
在進(jìn)一步討論之前，我們想重申一下，由于使用該節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品有限，Intel 4 將僅提供高性能單元庫。通常，英特爾至少為邏輯設(shè)計了三個標(biāo)準(zhǔn)庫。例如，使用英特爾 10nm，該公司擁有高密度單元、高性能/移動性能單元和超高性能單元。雖然它們使用相同的底層晶體管，但它們的特點(diǎn)是性能、功率和密度特性是 pMOS 和 nMOS 器件的函數(shù)。對于 FinFET 器件，這是鰭片數(shù)量的直接函數(shù)。因此，英特爾 10nm 具有每個器件可容納 2 個鰭的 HD 單元、每個器件可容納 3 個鰭的 HP 單元和每個器件可容納 4 個鰭的 UHP 單元。

擴(kuò)展（Scaling）是 DTCO-Heavy

正如我們在過去幾個節(jié)點(diǎn)中看到的那樣，PPA 目標(biāo)現(xiàn)在在很大程度上都涉及 DTCO。Intel 4 也不例外。事實(shí)上，如果我們將intel 7 單元轉(zhuǎn)移到intel 4 上并僅調(diào)整間距，我們將獲得 1.22 倍的晶體管密度改進(jìn)或大約 0.82 倍的縮放。這意味著，DTCO 不是pitch 縮放，而是intel 4 中密度改進(jìn)的絕大部分。

許多關(guān)鍵技術(shù)在這里發(fā)揮作用。
首先，intel 4 使用第二代 COAG 和第二代單虛擬門，允許它們隨著新的柵極和鰭片間距進(jìn)行擴(kuò)展，同時保持單元高度和單元寬度的優(yōu)勢，從而實(shí)現(xiàn)我們在intel 7 中看到的密度改進(jìn)。以前，英特爾在 nMOS 和 pMOS 器件之間的區(qū)域（柵極輸入的前接觸區(qū)域）有兩條擴(kuò)散線（diffusion lines）的間距。Intel 4 利用了單元的這一區(qū)域并消除了其中一條擴(kuò)散線，從而縮短了單元高度并獲得了寶貴的空間。我們估計僅此一項(xiàng)就產(chǎn)生了大約 11.5% 的面積縮放。
最后，由于其更高的性能，intel 4 經(jīng)歷了 4:3 的鰭片減少。這是對整體面積額外縮小 25% 的最大貢獻(xiàn)?？偠灾珼TCO 在傳統(tǒng)pitch縮放的基礎(chǔ)上增加了 1.5 倍的縮放。這證明了 DTCO 在現(xiàn)代前沿節(jié)點(diǎn)中的重要性，以及 STCO 將如何在引入未來技術(shù)（如埋入式電源軌和背面供電網(wǎng)絡(luò)）中發(fā)揮更大的作用。

為了促進(jìn)鰭的減少，必須增強(qiáng)設(shè)備性能。對于 Intel 4，該公司報告稱，nMOS 和 pMOS 的驅(qū)動電流均超過每微米 2mA。對于 0.7 V 的 nMOS，驅(qū)動電流為每微米 2.25 mA，漏電流為每微米 20 nA。同樣，對于 pMOS，在相同泄漏情況下，每微米的驅(qū)動電流為 2 mA。這些數(shù)字代表了比 10 納米設(shè)備大約 25-30% 的改進(jìn)。

Intel 4 提供 8 個閾值（threshold ）電壓器件 (4 nMOS / 8 pMOS)。與 Intel 7 相比，這些新設(shè)備提供了額外 5% 的功率不受限制的性能提升。

英特爾還報告了一些使用標(biāo)準(zhǔn)可授權(quán)內(nèi)核（可能是 Cortex-A7x 內(nèi)核）的功率性能數(shù)據(jù)。下面的電源頻率圖展示了在intel 7 與intel 4 上制造相同內(nèi)核的對比情況。在低電壓下，英特爾報告在等功率下的頻率比intel 7 提高了 20% 以上。或者，在相同的低電壓下，相同的內(nèi)核結(jié)果在等頻處能量減少約 40%。

密度

綜上所述，英特爾表示，根據(jù)內(nèi)部估計，他們看到從intel 7 到intel 4 的完整高性能庫擴(kuò)展為 2 倍。

像往常一樣，WikiChip 根據(jù)當(dāng)前公開的代工數(shù)據(jù)生成自己的獨(dú)立估計。
我們自己的估計表明，intel 4 的密度比英特爾 7/10nm 提高了 1.83 倍。但是，我們的估計還表明，intel 4 提供的密度比intel 7 提高了 2.04 倍。這是怎么算出來的？答案實(shí)際上在英特爾自己的 VLSI 演示幻燈片中。
隨著 10 納米 SuperFin 及其后繼產(chǎn)品增強(qiáng)型 SuperFin（現(xiàn)在稱為 Intel 7）的推出，英特爾推出了一種具有 60 納米多晶間距的新型晶體管，以實(shí)現(xiàn)更高的驅(qū)動電流性能。在生產(chǎn)性能顯著提高的晶體管的同時，它的不利影響是將邏輯密度降低了 0.9 倍。值得注意的是，這些cell被用于Alder Lake中的 Golden Cove 和 Gracemont 核心。
為此，我們估計intel 4 密度為 123.4 MTr/mm2，是英特爾 7 中 60.5 MTr/mm2 的 2.04 倍。我們對 TSMC N5 的數(shù)據(jù)非常不完整，但我們基于已知間距的粗略估計將其 HP 庫為 94.85 MTr/平方毫米。根據(jù)最近公開的大多數(shù)代工數(shù)據(jù)，intel 4 HP 單元似乎比 TSMC N5 HP 更密集，并且可能更接近或優(yōu)于 TSMC N3 HP 單元，并且比三星的 3GAE 更密集。鑒于過去三年 10nm 對公司造成的動蕩，以這樣的數(shù)字出現(xiàn)是相當(dāng)令人驚訝的。它還強(qiáng)烈表明intel 3 可以匹配并超越即將推出的 3nm 級代工產(chǎn)品。

互連

Intel 4 互連堆棧經(jīng)歷了相當(dāng)大的變化。
Intel 4 的基本設(shè)計規(guī)則的一個亮點(diǎn)如下所示,與具有 17 個金屬層的 Intel 7 相比，Intel 4 增加了一層。M4 上方的大多數(shù)互連都看到了通常的間距縮小，其中大部分在 0.7x-0.85x 縮放左右。與之前的節(jié)點(diǎn)一樣，兩個頂層是厚金屬層。與大多數(shù)其他wires相比，英特爾大幅縮小了最后一層厚金屬層。最受關(guān)注的區(qū)域是前四個路由層(routing layers)。在那里，不僅某些間距沒有縮小，有些實(shí)際上變寬了。這些層也經(jīng)歷了新的材料變化。

盡管英特爾沒有詳細(xì)說明確切的層，但 EUV 和 SAQP 都以最緊密的間距使用。此外，使用單一鑲嵌(damascene )工藝來形成 M0 軌道的觸點(diǎn)，這可能有助于在該步驟中形成 EUV 圖案。

四個最低金屬層在兩個正交方向上橫跨芯片，用于cell本地電源和路由。在 Intel 4 中，它們具有非常規(guī)則的pitches。為什么有些間距縮小而其他間距變寬似乎有一個很好的理由，這主要與單元布局優(yōu)化有關(guān)。
在 Intel 7 中，M1 層非常激進(jìn)的鰭片間距意味著該公司采用了 3:2 的間距比。這有一些奇怪的副作用。在Intel 4 中，英特爾實(shí)際上將間距縮小了近 1.4 倍，以通過相同的間距將其固定到門上。正如我們將在下面展示的那樣，這不僅簡化了設(shè)計，而且完全消除了布局的一些不合適。英特爾似乎對 M3 層做了同樣的事情。我們在這里的最后觀察涉及也與鰭平行的 M2 和 M4 層。這些具有2：3的比例。

正如我們之前提到的，在 Intel 7 中，該公司選擇了非常激進(jìn)的 M1 間距 ——36 nm。該軌道（ track）平行于多邊形軌道。選擇該間距是為了便于金屬層和柵極間距之間的比率為 3:2。換句話說，更緊密的間距允許每個單元的每個poly有更多的 M1 軌道，這意味著更多的引腳命中位置。這種設(shè)計提供了更好的單元間連接和更好的塊級訪問。不幸的是，在 M1 處具有此比率也會導(dǎo)致一些單元級別的奇怪，其中取決于cell poly count的均勻/奇數(shù)，您最終可能會得到左對齊或右對齊的單元格。解決這個問題意味著減少面積利用率。

為了簡單起見，Intel 4 顯然完全放棄了該方案。M1 和 M3 層現(xiàn)在都與poly掛鉤，完全消除了這種錯位問題。有趣的是，該公司還將 M0 軌道固定在鰭上。那些垂直于多邊形。在 Intel 7 中具有 44nm 和 52nm 間距的上 M2 和 M4 層在 Intel 4 中都具有 45nm。從布局的角度來看，選擇 45nm 是非常清楚的，因?yàn)樗鼈儸F(xiàn)在以 2 ：3的比例固定在鰭片上。請記住，由于單元格高度是一個固定屬性，因此在該方向上沒有對齊問題。

在 VLSI 上，英特爾還討論了intel 4 引入的新網(wǎng)格互連架構(gòu)。在之前的節(jié)點(diǎn)中，英特爾定義了通孔和track end caps的最小間距。但是，沒有具體說明它們的確切位置。這導(dǎo)致了大量的patterns，由于增加的patterns可變性而引入了新的分析復(fù)雜性層。在 Intel 4 中，線端和過孔現(xiàn)在嚴(yán)格放置在網(wǎng)格上，從而減少了可能的放置。據(jù)說新的簡單網(wǎng)格限制通過減少圖案可變性以及通過更好地識別問題和優(yōu)化自動布局布線 (APR) 設(shè)計流程來提高良率。

銅回來了

當(dāng)英特爾首次推出他們的 10 納米工藝時，他們宣布推出新的互連材料——鈷。主要動機(jī)是其更好的電遷移特性。隨著我們繼續(xù)縮小互連，銅互連的高電阻率襯墊和阻擋層的厚度基本保持不變（the thickness of the high-resistivity liner and barrier for the copper interconnects stayed about the same）。這主要是由于工程上難以將其減薄到比現(xiàn)有的幾納米更小。最終結(jié)果是，隨著wires規(guī)模的提升，屏障（barrier ）本身開始在互連橫截面積中占據(jù)越來越大的份額。隨著High-resistivity barriers慢慢構(gòu)成互連的大部分，它開始主導(dǎo)導(dǎo)線本身的電阻率。

雖然由于鈷及其更薄的襯里，在10nm工藝上，兩個局部互連層（M0 和 M1）處的wire電阻確實(shí)增加了，但英特爾報告稱線路電阻降低了 2 倍。此外，這兩層也使電遷移提高了 5-10 倍。但最終，英特爾似乎在Intel 4 中退出了鈷。鈷是一種更難使用的材料，并且被推測是導(dǎo)致其良率難以提升的根源之一。
在下圖中，英特爾展示了intel 7 與具有鉭阻擋層（Tantalum barrier ）的純鈷內(nèi)核與具有氮化鉭阻擋層（Tantalum nitride barrier）的傳統(tǒng)銅合金內(nèi)核之間的關(guān)系。這兩個選項(xiàng)具有互補(bǔ)的屬性。純 Co 提供了相當(dāng)好的電遷移特性，但提供了更差的線路電阻。同樣，Cu 合金提供更好的線路電阻但更差的電遷移壽命。事實(shí)上，與純鈷相比，銅合金提供了 0.75 倍的線路電阻，這是相當(dāng)大的電阻下降。對于 Intel 4，該公司選擇在最低的四個金屬層中使用增強(qiáng)型銅 (eCu)。這種增強(qiáng)的銅線包括一個鉭阻擋層，而在純銅芯周圍也有鈷包層。

內(nèi)存

與仍然提供雙倍晶體管密度的邏輯縮放不同，內(nèi)存縮放正在面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
Intel 4 引入了兩個標(biāo)準(zhǔn)的 6T SRAM 單元——高密度和大電流單元。高密度 (PU:PG:PD = 1:1:1) cell從 0.0312 平方微米縮小到 0.0240，而高性能 (PU:PG:PD = 1:2:2) cell縮小到 0.0300 平方微米. 這些cell分別看到了 0.77 倍和 0.68 倍的縮放比例，這與我們過去看到的約 0.6 倍的歷史縮放比例相去甚遠(yuǎn)。除了 6T 單元之外，英特爾還開發(fā)了一個 8T SRAM 位單元，它在 6T 寫入端口的基礎(chǔ)上增加了一個 3 鰭讀取端口，總面積為 0.0360 平方微米。雖然占用 1.74 倍的面積，但它使用的讀/寫能量分別比 HDC 和 HCC 低 6 倍和 12 倍。

將Intel 4 的密度與臺積電和三星的代工產(chǎn)品進(jìn)行比較時，英特爾 4 SRAM 的尺寸實(shí)際上相當(dāng)令人失望。對于我們在這里的密度估計，我們使用我們的標(biāo)準(zhǔn)等輔助電路開銷方法，該方法可能與公司自己報告的數(shù)字不同。為此，intel 4 HDC 產(chǎn)生了大約 27.8 Mib/mm2 的內(nèi)存密度。與密度為 31.8 Mib/mm2 的 TSMC N5 SRAM 相比，英特爾的密度大約低 14.5%。

英特爾還展示了其intel 4 SRAM shuttle 測試芯片。test vehicle具有 57 Mib 的高密度cell和 50 Mib 的高性能cell。硅測量表明，高密度cell的 90% Vim 工作電壓（percentile Vim operation）為 0.6 V，高性能cell的工作電壓為 0.55 V。

電容器

intel 4 還改進(jìn)了intel 7 的 MIM 電容器。intel 4 上的新 MIMcap 提供了令人印象深刻的兩倍于intel 7 的電容，達(dá)到 376 fF/μm2。

結(jié)論

在經(jīng)歷了五年的制造問題折磨之后，英特爾終于出現(xiàn)了復(fù)蘇的跡象。
在 2022 年 IEEE VLSI 技術(shù)和電路研討會上，英特爾終于公布了他們的下一代領(lǐng)先的高性能工藝節(jié)點(diǎn)——intel 4。該節(jié)點(diǎn)預(yù)計將在今年年底前量產(chǎn)。雖然在功能方面不如他們通常的節(jié)點(diǎn)那么全面，但intel 4 提供了足夠的功能來支持他們的下一代客戶端 SoC（代號 Meteor Lake）所需的計算塊。該節(jié)點(diǎn)充分利用 EUV 并提供比 Intel 7 大約 20% 的性能/瓦特增益。
在 SoC 級別，該節(jié)點(diǎn)在等頻下可降低多達(dá) 40% 的功率或在等頻下提供 >20% 的頻率提升-力量。此外，該節(jié)點(diǎn)的高性能庫擁有完整的 2.04 倍密度縮放，超過intel 7 中用于 Alder Lake 的最高性能單元。在紙面上，這些 PPA 特性使公司的新intel 4 工藝的性能水平優(yōu)于臺積電 N3 和三星 3GAE。在密度方面，英特爾 4 與 N3 高性能庫相比似乎極具競爭力。
很明顯，Intel 4 是經(jīng)過精心制作的。仔細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)單元縮放以及架構(gòu)簡化有助于降低工藝復(fù)雜性。隨著 EUV 的引入，回歸到更簡單的材料有助于大大減少掩模、步驟和圖案的可變性和復(fù)雜性。英特爾表示，與英特爾 7 相比，新節(jié)點(diǎn)還大大降低了每個晶體管的成本。
盡管如此，我們認(rèn)為英intel 4 是一個權(quán)宜之計節(jié)點(diǎn)——一個最小可行的產(chǎn)品，是通往intel 3 的中間節(jié)點(diǎn)，這預(yù)計將發(fā)生在intel 4 之后大約一年（明年年底）。Intel 3 將是 Intel 的最終 FinFET 工藝。此后的一切都將使用該公司稱為 RibbonFET 的新的環(huán)柵晶體管架構(gòu)。intel 3 恰好也是英特爾代工服務(wù) (IFS) 即將推出的旗艦節(jié)點(diǎn)。intel 3 建立在intel 4 的基礎(chǔ)上，這就是為什么及時正確地將intel 4 提升到良好的良率和高產(chǎn)量如此重要的原因。該公司已經(jīng)透露，intel 3 將再提供 18% 的性能/瓦特改進(jìn)，這本身就是一個全節(jié)點(diǎn)改進(jìn)。該過程還將引入一個新的更密集的高性能庫以及一組更完整的其他庫和 IP。
從本文詳述的 Intel 4 工藝，該公司能否重新獲得其在半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)先地位，完全取決于其執(zhí)行力。

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